escuela superior de ingenieria mecanica y...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

“METODOLOGÍA PARA LA OPTIMIZACIÓN EN LA APLICACIÓN DE APARTARRAYOS DE 400 kV”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

OSCAR JONATHAN AMARO SÁNCHEZ HÉCTOR MIGUEL ORTÍZ RIVERA

ASESOR:

DR. CARLOS RAMÍREZ PACHECO

MÉXICO, D.F. 2011

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL

DEBERA(N) DESARROLLAR C. OSCAR JONATHAN AMARO SÁNCHEZ C. HÉCTOR MIGUEL ORTÍZ RIVERA

"METODOLOGÍA PARA LA OPTIMIZACIÓN EN LA APLICACIÓN DE APARTARRAVOS DE 400 kV"

PROPONER UNA METODOLOGÍA QUE OPTIMICE LA PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ELÉCTRICAS DE ORIGEN ATMOSFÉRICO EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE 400 kV, MEDIANTE LA INSTALACIÓN DE APARTARRAVOS DE ÓXIDOS METÁLICOS BASADOS EN EL MODELO DE UNA RED DE POTENCIA APLICADO AL ATPDRAW QUE NOS PERMITA DETERMINAR LA UBICACIÓN Y DISTRIBUCIÓN ADECUADA DE LOS APARTARRAYOS A LO LARGO DE LA LÍNEA.

• INTRODUCCIÓN • SOBRETENSIONES EN LOS SISTEMAS DE POTENCIA • MÉTODOS DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS • APARTARRAYOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN • METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE APRTARRAVOS • SIMULACIÓN EN ATP (Altemative Transients Program)

MÉXICO D.F. A 12 DE OCTUBRE DE 2011

ASESORES

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DAVID RAMÍREZ ORTIZ DEPARTA~ENT~ ACADÉMICO DE;. INGENIERIA ELECTRICA

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JeFATURAH INGENIElUA ILECTRICA

Metodología para la optimización en la aplicación de apartarrayos en líneas de 400 kV

iii

DEDICATORIAS.

Doy gracias a Dios por protegerme todos los días de mi vida y permitirme llegar hasta donde he

llegado.

Gracias mamá por tu ayuda, paciencia, por siempre estar a mi lado y escucharme cuando lo he

necesitado. Papá gracias por tu entrega y dedicación, por brindarme siempre lo mejor.

A mi hermana por hacer que mis tareas no fueran aburridas en casa con sus ocurrencias.

A mi novia, gracias por estar a mi lado, por toda la paciencia que tienes para soportarme en esos

momentos que me pongo “un poco difícil”, por ser la mejor de mis amigas y compañeras, estando

siempre ahí cuando te he necesitado dándome tú apoyo incondicional y por todos los momentos

bellos que me has brindado.

Mi agradecimiento y reconocimiento al asesor de tesis Dr. Carlos Ramírez Pacheco por sus

observaciones, sugerencias, correcciones y confianza en la elaboración de esta tesis, así como en la

revisión y desarrollo de esta metodología.

A los profesores por habernos transmitido su sabiduría, por tenernos paciencia para poder terminar

esta carrera porque sin ellos no hubiéramos terminado ya que ellos son un ejemplo a seguir.

Y no me puedo ir sin antes decirles, que sin ustedes no lo hubiera logrado, tantas desveladas

sirvieron de algo y aquí está el fruto. Les agradezco a todos ustedes con toda el alma por haber

llegado a mi vida y compartir momentos agradables y tristes, pero esos son los que nos hacen crecer

y valorar a las personas que nos rodean.

Simplemente gracias…

Atte.

Oscar Jonathan Amaro Sánchez.


iv

DEDICATORIAS.

Dedico este proyecto en especial a mis padres, esposa y a mis hijos Marcela y Mateo ya que son mi

móvil para lograr éxitos como este, también a todos aquellos me han apoyado para lograr mis metas

sin condiciones ni reproche alguno, agradeciendo por los consejos dados y momentos de ánimo que

me han servido para continuar con el proceso de mi formación profesional. Te agradezco Madre y

espero que me sigas iluminando mi camino para poder cultivar el orgullo que se que sientes al verme

desarrollar en los aspectos más importantes de la vida. Gracias asesores de la vida que me han

guiado en mi trayectoria profesional y me han enriquecido el alma con su transmisión de experiencias

y conocimientos.

Atte.

Héctor Miguel Ortiz Rivera.


- 1 -

ÍNDICE DE CONTENIDO

CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN

1.1. Resumen ........................................................................................................................................ 4

1.2. Introducción .................................................................................................................................... 5

1.3. Antecedentes ................................................................................................................................. 6

1.4. Objetivos de la tesis ........................................................................................................................ 7

1.5. Justificación ................................................................................................................................. .. 8

1.6. Alcances ........................................................................................................................................ 9

1.7. Metodología .................................................................................................................................... 9

1.8. Estructura de la tesis .................................................................................................................... 10

CAPITULO 2 SOBRETENSIONES EN LOS SISTEMAS DE POTENCIA

2.1. Introducción ................................................................................................................................. 11

2.2. Principios de la coordinación de aislamiento ................................................................................. 11

2.3. Clasificación y características de las sobretensiones .................................................................... 12

2.4. Formas de onda normalizadas .................................................................................................. .. 13

2.5. Sobretensiones atmosféricas ........................................................................................................ 14

2.6. Teoría de la formación de la descarga ...................................................................................... .. 15

2.7. Parametros de la linea de transmisión ...................................................................................... .. 17

2.8. Efectos de las descargas atmosféricas en las líneas de transmisión ............................................ 18

A) Impacto en el hilo de guarda .................................................................................................... 19

B) Impacto directo de la descarga atmosférica en la torre ............................................................ 20

C) Impacto en un conductor de fase ............................................................................................. 22

CAPITULO 3 MÉTODOS PARA LIMITAR SOBRETENSIONES ATMOSFÉRICAS

3.1. Introducción ................................................................................................................................. 24

3.2. Apantallamiento de líneas aéreas ................................................................................................. 24

3.3. Ángulo de blindaje .................................................................................................................... .. 27

3.4. Instalación de contrantenas .......................................................................................................... 31

3.5. Mejoramiento de la resistividad del terreno ............................................................................... .. 33

3.6. Resultados después de una descarga atmosférica ................................................................... .. 36

CAPITULO 4 APARTARRAYOS DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN

4.1. Introducción ................................................................................................................................. 37

4.2. Descripción y principio de funcionamiento .................................................................................... 37

4.3. Apartarrayos de carburo de silicio (SiC) con explosores .............................................................. 38


- 2 -

4.4. Apartarrayos de óxidos metálicos (ZnO) sin explosores ............................................................... 40

4.5. Ventajas de los apartarrayos de óxidos metálicos ....................................................................... 41

4.6. Curva caraterística V-I .................................................................................................................. 41

4.7 Características eléctricas ............................................................................................................... 43

4.8 Condiciones normales de servicio.................................................................................................. 44

CAPITULO 5 PROCEDIMIENTO PARA LA SELECCIÓN DE APARTARRAYOS

5.1. Introducción ................................................................................................................................. 46

5.2. Principios de selección de apartarrayos ....................................................................................... 46

5.3. Contraste de las características eléctricas ................................................................................ .. 47

5.4. Contraste de las características mecánicas .............................................................................. .. 51

5.5. Diagrama de flujo para la selección del apartarrayos ................................................................... 52

CAPITULO 6 METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE APARTARRAYOS EN LÍNEAS DE

TRANSMISIÓN

6.1. Introducción ................................................................................................................................ ..53

6.2. Análisis de los factores meteorológicos de la localización de la línea de 400 kV ......................... 55

6.3. Análisis del blindaje contra descargas atmosféricas en la línea de transmisión a proteger .......... 56

6.4. Análisis del sistema de tierras de la línea de transmisión a proteger. ........................................ .. 56

6.5. Análisis de la resistividad del terreno en cada torre de transmisión. .......................................... .. 57

6.6. Análisis de puntos potenciales en la red. ...................................................................................... 57

6.7. Diagrama de flujo del método para la aplicación de apartarrayos ............................................... ..58

CAPITULO 7 APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA

7.1 Introducción ................................................................................................................................... 67

7.2 Directrices de representación ....................................................................................................... 67

7.3 Descripción de la línea de transmisión. ....................................................................................... .. 68

7.4 Representación de la línea de transmisión en ATP. .................................................................... .. 68

7.5 Diagrama esquemático del modelo ................................................................................................ 78

7.6 Simulación y resultados ............................................................................................................... ..80

a) Caso 1 Impacto en el hilo de guarda ............................................................................................... 80

b) Caso 2 Impacto en la torre .............................................................................................................. 92

7.7 Ubicación de apartarrayos en referencia a simulación. ................................................................ ..96

7.8 Selección de apartarrayos por sus parámetros característicos. ................................................... ..96

7.9 Comparativa de ahorro monetario aproximado por índice de salidas de la línea

por flameo inverso……………… ........................................................................................... ...97


- 3 -

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

GLOSARIO DE TÉCNICO

NOMENCLATURA

ÍNDICE DE IMÁGENES

ÍNDICE TABLAS

ANEXOS

REFERENCIAS


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CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN.

1.1 RESUMEN.

Esta tesis propone una metodología para optimizar la protección de líneas de transmisión de 400 kV

ante sobretensiones de origen atmosférico mediante la instalación de apartarrayos de óxido

metálicos. En el método se detallan los pasos a seguir para precisar la instalación de apartarrayos;

para esto se analizan los antecedentes de salida de la línea por descargas atmosféricas,

características de la zona donde se encuentra ubicada como: resistividad del terreno y/o nivel

isoceráunico, sistemas de protección con los que cuenta como: blindaje o apantallamiento y el

sistema de conexión a tierra, en caso de no ser posible ajustar el ángulo de blindaje o mejorar la

resistividad del terreno para disminuir el número de fallas por descargas atmosféricas la última opción

es la instalación de apartarrayos conectados en paralelo con las cadenas de aisladores de la línea de

transmisión.

Una vez que se ha determinado la necesidad de la instalación de apartarrayos se procede a la

simulación del sistema con el propósito de determinar en qué torres es conveniente ubicar los

apartarrayos y revisar si es indispensable instalarlos en todas las fases de la línea.

El modelo se implementa mediante el programa ATP (Alternative Transient Program), donde se

representan los componentes que conforman la línea de transmisión, se simulan los casos en que el

rayo impacta en la torre y en los conductores de fase, esto se realizó para diferentes valores de

corriente de rayo y resistencia de puesta a tierra de las torres. Con los datos obtenidos por medio de

la simulación se elaboraron gráficas que relacionan corriente de rayo, resistencia de puesta a tierra y

el valor de la sobretensión generada, posteriormente se procedió a colocar apartarrayos en

diferentes torres y fases determinando con esto los criterios para su ubicación y distribución óptima

en la línea.

Los resultados obtenidos en este estudio demuestran que la instalación de apartarrayos se optimiza

con la metodología propuesta, representando un ahorro considerable en recursos al eliminar factores

que previamente se someten a revisión.


- 5 -

1.2 INTRODUCCIÓN.

En los sistemas eléctricos de potencia con frecuencia se presentan disturbios transitorios conocidos

como sobretensiones, las cuales pueden provocar flámeos o fallas de aislamiento y daños severos al

equipo, ocasionando la interrupción del servicio de energía eléctrica, lo cual origina grandes pérdidas

económicas y problemas de estabilidad. Con el propósito de prevenir tales eventos y sus

consecuencias es necesario definir el origen, la magnitud y características fundamentales de las

sobretensiones que puedan presentarse y seleccionar los elementos de protección adecuados para

así poder establecer los niveles de aislamiento óptimos para cada equipo, esto se realiza con un

estudio de coordinación de aislamiento, el cual debe ser adecuado tanto técnicamente como

económicamente para poder brindar una protección efectiva a equipos y no caer en costos excesivos.

En el mundo existen alrededor de 2000 tormentas en cualquier instante, resultando 100 descargas

eléctricas por segundo, alrededor de 8 millones por día [1].

Lamentablemente este fenómeno natural representa un problema para las redes eléctricas

principalmente para las líneas de transmisión y subestaciones tipo intemperie, el daño que se

presenta se debe a los rayos que inciden directamente sobre los conductores generando ondas de

sobretensión que se propagan a través de las líneas y en caso de superar el nivel de aislamiento

(NBI) provocan fallas de blindaje en los equipos. En la práctica, una descarga atmosférica incidiendo

dentro de la subestación es un evento poco frecuente, debido a que su área de exposición es

relativamente pequeña, además de tener el sistema de apantallamiento o blindaje, por tanto el

estudio de descargas atmosféricas se enfocara a la protección de las líneas de transmisión.

Las líneas de transmisión de 400 kV existentes se encuentran apantalladas por dos hilos de guarda

pero si el diseño del apantallamiento no es el correcto se presentan flámeos directos por fallo de

apantallamiento; por otro lado si se tiene un buen apantallamiento pero la resistencia de puesta a

tierra es muy elevada en varias torres de la línea se presentan flámeos inversos por reflexión de

ondas en dichas torres, eso da la necesidad de evaluar nuevas opciones que optimicen la protección

de líneas; ya que por ser líneas de alta tensión generan más costos en pérdidas. En la actualidad se

considera la aplicación de apartarrayos de línea (TLA) para la solución de este tipo de fallas en líneas

de alta tensión.

El apartarrayos (descargador de sobretensiones) es un dispositivo que funciona bajo el principio del

varistor en condiciones normales de operación presenta una alta impedancia y la corriente que circula

a través de él es despreciable; cuando se presenta una sobretensión que excede su valor de

operación su impedancia decae drásticamente comportándose como un cortocircuito, drenando así la

corriente de la descarga y reduciendo el nivel de la sobretensión a valores mínimos, limitando el

esfuerzo que debe soportar el aislamiento del equipo y protegiéndolo contra flámeos directos e

inversos.


- 6 -

1.3 ANTECEDENTES.

En 1977, los índices de salidas producidas por las tormentas eléctricas en nuestro país para las

líneas de transmisión eran muy superiores a los que se registraban en otras partes del mundo. Por

ello, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) contrató al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE)

para trabajar en el área de descargas atmosféricas y conexiones a tierra. Así, el IIE revisó los

procedimientos de diseño de líneas de transmisión y subestaciones de la CFE para los que se

reportaban altos índices de salidas y definió un programa de investigación tendiente a mejorar los

diseños existentes [3].

Para la resolución de este problema el primer gran avance fue la elaboración de un mapa

isoceráunico que muestra la densidad de rayos a tierra al año en el país, una vez que se conoció la

frecuencia e intensidad de tormentas eléctricas con mayor precisión se procedió a la revisión del

diseño de líneas de transmisión y se encontró que su construcción estaba basada en manuales

franceses, por lo que no cumplían con los requerimientos de la ubicación geográfica y condiciones

climatológicas del país, ante esto se tuvieron que rediseñar y modificar dentro de lo posible las líneas

para mejorar su comportamiento ante las descargas atmosféricas lo cual no fue lo suficientemente

efectivo.

Fue hasta la década de los noventa cuando se buscaron métodos de protección alternativos ante

tales disturbios con el objetivo de reducir las salidas de líneas al año a un nivel más aceptable, el

primer método consiste en la protección mediante un sistema de conexión a tierras por medio de

contrantenas y el mejoramiento de la resistividad del terreno por medio de sales y compuestos

químicos [3] con el propósito de que al caer una descarga en el hilo de guarda o en la torre esta

encuentre una trayectoria de baja impedancia a través de la cual pueda ser drenada la corriente del

rayo a tierra, este método es adecuado hasta cierto punto debido por las condiciones del terreno; es

difícil lograr que todas las torres que componen la línea de transmisión tengan baja resistividad

además de que se requiere tratamiento y monitoreo periódico.

Ante esto se han evaluado nuevas opciones de protección ante descargas atmosféricas como la

utilización de apartarrayos de óxido de zinc en líneas en operación de la CFE y se ha observó una

notable reducción en la salida de líneas, menor al cincuenta por ciento que en años anteriores [3]. La

utilización de apartarrayos como elemento de protección ante descargas atmosféricas en México solo

se ha desarrollado en líneas con tensiones nominales hasta 230 kV, debido a múltiples sistemas de

protección contra descargas atmosféricas con los que cuentan las líneas de 400 kV y el costo que

implica la utilización de apartarrayos al no contar con la metodología y criterios adecuados para

instalarlos.


- 7 -

1.4 OBJETIVOS DE LA TESIS.

OBJETIVO GENERAL.

Proponer una metodología que optimice la protección contra descargas eléctricas de origen

atmosférico en líneas de transmisión de 400 kV mediante la instalación de apartarrayos de óxidos

metálicos, basados en el modelo de una red de potencia aplicado al ATP Draw que nos permita

determinar la ubicación y distribución adecuada de los apartarrayos a lo largo de la línea.

OBJETIVOS PARTICULARES.

Estudiar, analizar y simular los efectos producidos por sobretensiones de origen atmosférico o

rayo en líneas de transmisión de 400 kV determinando los riesgos a los que se someten las

cadenas de aisladores.

Conocer que parámetros de la descarga y línea de transmisión tienen mayor influencia en el

máximo nivel de las sobretensiones.

Determinar si los sistemas de protección como blindaje y sistema puesta a tierra de la línea son

suficientemente efectivos para evitar fallos de aislamiento.

Justificar técnicamente por qué es conveniente la utilización de apartarrayos de óxidos

metálicos para proteger líneas de transmisión de 400 kV.

Seleccionar el tipo de apartarrayos más adecuado para líneas de nivel de 400 kV.

Detallar los criterios a seguir para la ubicación óptima de apartarrayos a lo largo de línea de

transmisión.


- 8 -

1.5 JUSTIFICACIÓN.

En el sistema eléctrico nacional las líneas de transmisión de 400 kV son las de mayor importancia,

las descargas atmosféricas que impactan sobre ellas pueden provocar la pérdida del suministro de

potencia con las consecuentes y severas afectaciones económicas, además de problemas de

estabilidad, por estas razones se debe buscar el sistema protección más efectivo y seguro

técnicamente, pero al mismo tiempo con una reducción de costos.

Las líneas de transmisión cuentan con múltiples sistemas de protección tales como cables de

guarda, sistemas de conexión a tierra para limitar los efectos de las descargas atmosféricas, pero

cuando un rayo viola el blindaje e incide directamente en los conductores de fase provoca flámeos

directos de los aislamientos o en caso de caer en un hilo de guarda o directamente en la torre y esta

por diferentes factores presenta alta impedancia se generan ondas reflejadas que al superponerse y

sobrepasa el nivel de aislamiento al impulso por rayo (NBI) provoca flámeos inversos en las cadenas

de aisladores o incluso pueden llegar a equipos primarios de las subestaciones con lo que se puede

dar la salida de operación la línea.

Se ha demostrado que un sistema de protección muy efectivo para limitar las sobretensiones que

deben soportar las cadenas de aisladores son los apartarrayos de línea de óxidos metálicos, pero

tienen como principal inconveniente no contar con una metodología para su instalación lo cual genera

gastos excesivos, esta es una de las razones por las que su aplicación en líneas de 400 kV no se ha

aplicado anteriormente.

Con esta tesis pretendemos mostrar la metodología adecuada para la selección y aplicación óptima

de apartarrayos de óxidos metálicos en líneas de transmisión de alta tensión, por medio de una

correcta ubicación y distribución a lo largo de la línea con lo que se optimiza su nivel de protección.

Los beneficios obtenidos con la instalación de apartarrayos son: la reducción de las salidas por

descargas atmosféricas en líneas de transmisión ubicadas en zonas que tengan alta resistividad del

terreno y/o alto nivel isoceráunico, evitar la necesidad de aumentar el nivel de aislamiento, reducción

de los costos implicados al utilizar los dispositivos contra descargas atmosféricas necesarios.


- 9 -

1.6 ALCANCES.

Esta tesis solo comprende la simulación de las sobretensiones de origen atmosférico en una línea

de transmisión, se mostrara la metodología para la selección de los apartarrayos de línea de 400 kV y

se detallaran los criterios a seguir para la ubicación de estos, se evaluaran los efectos de las

descargas atmosféricas sin protección y después se compara con los efectos al utilizar apartarrayos

de óxidos metálicos como elementos de limitación de sobretensiones, este estudio podrá ser utilizado

en un futuro para la aplicación en campo y también servir como referencia de otras investigaciones,

así como ser utilizado para efectos de normalización.

1.7 METODOLOGÍA.

El modelamiento y simulación del sistema se hará por medio de la representación de los

componentes de una línea de transmisión en ATP (Alternative Transient Program). El ATP puede ser

aplicado en un elevado y creciente número de estudios y personalizada por el usuario para

aplicaciones muy específicas.

ATP Draw es un editor gráfico que funciona en entorno Windows y dispone de una lista muy

completa de los componentes necesarios para representar un sistema eléctrico en código ATP. El

usuario ha de capturar los iconos de los elementos que forman el sistema en estudio y especificar los

parámetros de cada uno, se simulara los transitorios ocasionados al caer rayo en el sistema sin la

instalación de apartarrayos y después se implementaran los apartarrayos como elementos de

protección y limitación, obteniendo resultados gráficos y determinando así los criterios a seguir para la

ubicación de los apartarrayos.


- 10 -

1.8 ESTRUCTURA DE LA TESIS.

CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN.

Se presenta la metodología que se utilizó para la optimización de las protecciones de las líneas,

seguir adecuadamente los objetivos de la tesis se da una explicación de la evolución del

apartarrayos.

CAPITULO 2 SOBRETENSIONES EN LOS SISTEMAS DE POTENCIA.

Se menciona la clasificación de los diferentes tipos de sobretensiones para los diferentes tipos de

flameo, consideraciones básicas para un estudio de coordinación de aislamiento y una descripción

detallada de los efectos de las descargas atmosféricas en las líneas de transmisión.

CAPITULO 3 MÉTODOS DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

Al transmitir energía eléctrica desde la generación hasta los centros de consumo implica proteger la

línea de transmisión ya que no todas responden a la misma corriente de descarga empezando con

análisis de resistividad hasta la implementación de apartarrayos.

CAPITULO 4 APARTARRAYOS DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN.

El principal objetivo de los dispositivos contra sobretensión es limitar las sobretensiones y prevenir

sus apariciones; este dispositivo cuenta con sus características eléctricas esencial la cual es no lineal

de tensión.

CAPITULO 5 PROCEDIMIENTO PARA LA SELECCIÓN DE APARTARRAYOS.

Aquí se muestra la forma correcta de la selección de un apartarrayos para que sean conectados

entre fases y tierra, se toma en cuenta la IEC 60099-4 [8] para que pueda satisfacer todas las

exigencias para su colocación.

CAPITULO 6 METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE APARTARRAYOS.

Se muestran los análisis necesarios para proteger las líneas y las torres de transmisión para poder

ubicar de forma correcta el apartarrayos.

CAPITULO 7 SIMULACIÓN EN ATP (Alternative Transients Program).

Gracias a la simulación en ATP Draw se pueden apreciar los transitorios que suceden durante una

descarga lo cual se simplifica más usando el programa digital, que si una persona realizará los

cálculos a mano debido a todos los equipos y elementos involucrados.


- 11 -


2.1 INTRODUCCIÓN.

En los sistemas eléctricos de potencia con frecuencia se presentan sobretensiones de distintos tipos

que pueden provocar flameo en el aislamiento del equipo si no son protegidos adecuadamente, en

consecuencia pueden ocurrir problemas severos como es la pérdida del suministro de potencia en

una línea de transmisión o la salida de servicio de una subestación. Una sobretensión es una tensión

anormal cuyo valor pico es superior al valor pico de operación normal de un equipo se origina por una

falla, una maniobra o una descarga atmosférica, su estudio es necesario para determinar el nivel de

aislamiento de los diferentes equipos y protecciones que se instalaran, es necesario conocer el

comportamiento del aislamiento y las protecciones ante cada tipo de sobretensión.

El presente capitulo tiene por objeto especificar las diferentes sobretensiones teniendo mayor

interés en sobretensiones atmosféricas describiendo sus características más importantes como son:

forma de onda, valor cresta, tiempo de frente, tiempo de cola y sus efectos en el nivel máximo de las

sobretensión generadas al caer en diferentes partes de la línea (conductores de fase, hilos de guarda

o la torre).

2.2 PRINCIPIOS DE LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.

Al estudio de las sobretensiones, la selección de aislamientos y dispositivos de protección se le

conoce como coordinación de aislamiento.

Una primera aproximación define la coordinación de aislamiento como la selección de la tensión

soportada de los distintos equipos debido a que el comportamiento de cualquier aislamiento depende

del tipo de solicitación al que está sometido [2]. Entonces la primera aproximación para la selección

del aislamiento a utilizar seria por medio de la siguiente regla.

Tensión soportada = Máxima sobretensión.

Siguiendo esta regla el aislamiento tendría que estar diseñado para soportar la más alta

sobretensión que se pueda presentar, lo cual en la práctica es imposible debido a los costos

excesivos en los que se caería; para que la coordinación de aislamiento sea correcta se debe de

tomar en cuenta los medios de protección y dispositivos que se puedan emplear para limitar

efectivamente las sobretensiones reduciendo así el nivel de aislamiento, pero también aceptando una

probabilidad de falla; esto da como resultado una definición más rigurosa según la norma IEC 60071-

1 [6] es: La coordinación de aislamiento es la selección de la rigidez dieléctrica de los equipos en

relación con las tensiones que pueden aparecer en el sistema en el cual se halla instalados, teniendo

en cuenta las condiciones ambientales de servicio y las características de los dispositivos de

protección disponibles [6].


- 12 -

Para realizar una selección óptima de los aislamientos y dispositivos de protección contra

sobretensiones requiere un conocimiento riguroso de:

Origen y distribución estadística de las sobretensiones que se pueden presentar.

Caracterización de los distintos tipos de aislamientos.

Dispositivos de protección y limitación que se pueden instalar.

Costo de las distintas opciones o estrategias.

2.3 CARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES.

Una sobretensión es cualquier valor de tensión entre un conductor de fase y tierra o entre

conductores de fase, que tiene un valor pico que excede al correspondiente valor pico de la tensión

máxima del equipo. Debido a que una sobretensión es variable en el tiempo y tiene un carácter

aleatorio es difícil de representar, por esta razón sus parámetros tales como: duración, amplitud y

efectos en el sistema son sólo una aproximación que si es adecuada es bastante efectiva.

El principal riesgo de los equipos durante una sobretensión es la afectación o destrucción del

aislamiento que puede dar origen a la pérdida de continuidad del suministro de energía.

Aunque las causas de las sobretensiones son muchas, así como los parámetros y variables que

intervienen en cada categoría, es posible distinguir unos pocos parámetros cuya influencia será

decisiva en la mayoría de los casos [2].

a) Valor de cresta: Es el valor máximo de una sobretensión y depende de ciertos factores,

según sea la causa de origen. Los factores de mayor influencia son el instante de impacto

del rayo, impedancia característica de la línea, cables y equipos, coeficientes de reflexión en

los puntos de transición cercanos al impacto y la resistencia de puesta a tierra de la torre.

b) Frecuencia de las oscilaciones: Son originadas por la frecuencia de las fuentes que

alimentan la red lo cual el modelo matemático incluye una representación con parámetros

distribuidos. La frecuencia natural de un circuito es el resultado de intercambio de energía

entre el campo eléctrico y el campo magnético, y depende de los valores de sus parámetros

no disipativos (L y C):

En el caso de una línea o cable, la frecuencia de las oscilaciones originadas por reflexiones de

ondas entre sus extremos se da por la siguiente expresión.

4

1f

Donde:

Tiempo de propagación en la línea, cable o conductor.


- 13 -

Si la sobretensión es unidireccional (no oscilatoria) originada por un rayo, el tiempo de la cresta

dependerá especialmente del tiempo a la cresta de la descarga atmosférica, en el orden de

microsegundos.

a) Duración: Depende esencialmente de la causa y amortiguamiento de equipos de la red.

También es necesario dar una clasificación a las sobretensiones; lo cual se va a hacer de forma

general:

Sobretensiones Externas (causadas por agentes externos al sistema).

Sobretensiones de descarga atmosférica (impacto de un rayo).

Sobretensiones Internas (causadas por el propio sistema).

Sobretensiones Temporales (oscilaciones ligeramente amortiguadas causadas por

rechazo de carga, liberación de línea fallada y recierre)

Sobretensiones por Maniobra (operación de cierre y apertura de interruptores).

En la figura 1 se muestra una relación entre el tipo de sobretensiones, la duración y el orden de

magnitud que pueden alcanzar el valor de cresta, se observa que las de origen atmosférico pueden

alcanzar los valores mayores de hasta 6 p.u. y son de muy corta duración.

Figura 1. Representación gráfica de las sobretensiones de un sistema de 400 kV [2].

2.4 FORMAS DE ONDA NORMALIZADA.

La norma IEC 60071-1 clasifica las sobretensiones de forma más específica, considerando su

duración, frecuencias de oscilaciones, tiempos de frente y cola en dos grupos [6].

Baja frecuencia: Son de larga duración y de frecuencia igual o próxima a la frecuencia de operación,

a su vez se dividen en permanente y temporal (TOV).

Tensión permanente a frecuencia industrial: Tensión aplicada permanentemente con valor

eficaz constante y frecuencia de operación de la red.


- 14 -

Sobretensiones temporales: Son de la larga duración (desde varios milisegundos a varios

segundos), y de frecuencia igual o próxima a la frecuencia de operación.

Transitoria: Son de corta duración (ms), oscilatoria y muy amortiguada, se subdivide en:

De frente lento: Es oscilatoria, con un tiempo de frente entre 200 y 5000µs y con un tiempo de

cola menor a 20 ms.

De frente rápido: Es unidireccional, con un tiempo de frente entre 0.1 y 20µs y con un tiempo

de cola menor a 300 µs.

De frente extra rápido: Oscilatoria, con un tiempo de frente inferior a 0.1 µs 5000µs, duración

inferior a 3ms y oscilaciones de 30kHz y 100MHz.

El objetivo de verificar en el laboratorio las simulaciones el comportamiento de los aislamientos

frente a los diferentes tipos de sobretensiones, se han establecido formas de onda normalizadas. La

tabla 1 presenta un resumen de las características más importantes de cada tipo de sobretensión.

Tabla 1. Clasificación de las sobretensiones según IEC 60070-1[6].

2.5 SOBRETENSIONES ATMOSFÉRICAS.

Las sobretensiones por rayo son causadas por descargas directas sobre los conductores de fase,

flámeos inversos o son inducidas por descargas atmosféricas a tierra cerca de la línea [5]. Las

sobretensiones de aguante por rayo en líneas de transmisión dependen de los siguientes factores:

Índice de ocurrencia de descargas atmosféricas sobre las líneas aéreas conectadas a esta.

Altura de la línea y tipo de terreno donde se encuentran las torres.

El valor instantáneo del voltaje de operación en el momento de la descarga.

La sobretensión representativa tiene la forma de onda de la sobretensión por rayo normalizada

(1.2x50 μs) y su amplitud corresponde a un índice de ocurrencia deseado por año.


- 15 -

2.6 TEORÍA DE LA FORMACIÓN DE LA DESCARGA.

Los rayos se originan normalmente desde las nubes y llega a la tierra, en ocasiones, la distribución

de cargas es tal que el rayo se origina desde la tierra y llega a la nube.

Podemos distinguir los siguiente tipos de fenómenos eléctricos atmosféricos:

Rayo intra - nube: Es el tipo más común de descarga, ocurre entre centros de carga opuestos

dentro de la misma nube de tormenta.

Rayo entre - nubes: Ocurre entre centros de carga en dos diferentes nubes con la descarga

recorriendo el espacio de aire que hay entre ellas, que puede llegar a 20 Km.

Rayo nube - tierra: Es el más dañino y peligroso aunque, por fortuna, no es el más común. La

mayoría se originan cerca del centro de carga negativo de la nube de tormenta y liberan carga

negativa hacia la tierra. Será en este tipo de rayos en el que nos centremos.

Las descargas atmosféricas nube a tierra (NT) son la causa principal de la desconexión de las

líneas de transmisión aéreas y líneas de distribución por lo que son de especial interés. Los

fenómenos eléctricos que ocurren dentro de las nubes y dan lugar a los rayos son complejos y no se

comprenden del todo. Sin embargo, varias teorías concuerdan en que dentro de las nubes ocurre una

separación de cargas. Wilson postuló que las gotas que caen atraen cargas negativas y, por

consiguiente, dejan detrás masas de aire con carga positiva.

Las gotas de lluvia que caen llevan la carga negativa al fondo de la nube y las corrientes de aire

ascendentes llevan el aire con carga positiva y cristales de hielo a la parte superior de la nube

inducen una región con carga positiva, o “sombra”, en la tierra situada debajo de la nube. Las líneas

de campo eléctrico que se muestran en la figura 2 se originan de las cargas positivas y terminan en

las cargas negativas [5].

Figura 2. Teoría de la formación de descarga de Wilson [5].


- 16 -

Cuando los gradientes de voltaje alcanzan la resistencia de rompimiento del aire húmedo dentro de

la nube, por lo general de 5 a 15 kV/cm, se mueven en una trayectoria ionizada o líder descendente

de la nube hacia la tierra. El líder progresa un poco al azar a lo largo de una trayectoria irregular. En

pasos de aproximadamente de 50 m de largo que se mueven a una velocidad cercan de 105 m/s.

Como resultado de la distribución de carga compuesta debajo de la nube, podría surgir como otro

líder ascendente que se encuentra con el que desciende. Cuando se encuentran, ocurre una

descarga, la cual neutraliza las cargas.

La corriente involucrada en una descarga atmosférica NT por lo general se eleva a un valor máximo

dentro de 1 a 10µs, y luego disminuye a la mitad del máximo entre 20 y 100µs. En la figura 3 se

muestra la distribución de las corrientes máximas.

Esta curva representa el porcentaje de descarga que excede una corriente máxima determinada.

Por ejemplo, 50% de las descargas tienen una corriente máxima mayor de 45 kA. En casos extremos,

la corriente máxima puede exceder 200 kA. También los resultados de prueba indican que cerca de

90% de las descargas son negativas.

Figura 3. Frecuencia de ocurrencia de corrientes de descargas

atmosféricas que exceden un valor máximo determinado [5].

Se ha demostrado que lo que aparece ante el ojo como un simple relámpago es a menudo el efecto

acumulado de muchas descargas. Un relámpago representativo consta de 3 a 5 descargas, y

ocasionalmente unas 40, a intervalos de 50ms. En las compañías eléctricas utilizan mapas de rayos

en tiempo real para vigilar la proximidad de tormentas eléctricas, estimar su intensidad y, luego,

ubicar personal de reparación antes de la tormenta, solicitar su presencia o en algún lugar cercano.

En las compañías también se utilizan datos de rayos en tiempo real junto con el monitoreo de

interruptores, relevadores o alarmas de subestación, o ambos, con el fin de mejorar las operaciones,

reducir o evitar el daño y agilizar los resultados la restauración de sus sistemas. En la figura 4 se

muestra un mapa que nos muestra la isodensidad de rayos a tierra en la República Mexicana,

elaborado por el IIE (Instituto de Investigaciones Eléctricas).

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200 250

Fre

cue

nci

a d

e o

curr

en

cia

en

(%

)

Corriente maxima kA


- 17 -

Figura 4. Isodensidad de rayos a tierra de la Republica Mexicana elaborado por IEE (periodo 1983-1993) [19].

2.7 PARÁMETROS DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN.

Un objetivo común en el diseño de las líneas de transmisión es tener un promedio de menos de 0.50

desconexiones al año causados por rayos por cada 100 millas de líneas de transmisión. Para una

línea aérea determinada, con un voltaje nominal especifico, los siguientes factores afectan este

objetivo de diseño:

1) Altura de la torre.

2) Número y ubicación de cables de blindaje.

3) Número de discos de aisladores estándar por hilo de fase.

4) Impedancia de torre e impedancia de torre a tierra.

Es bien sabido que los rayos caen en objetos altos. Por lo tanto, las estructuras con marco en forma

de H, más cortas, son menos susceptibles a las descargas atmosféricas que las torres en celosía

más altas. También las longitudes de claro más cortas con más torres por kilómetro reducen el

número de impactos. Los alambres de blindaje instalados arriba de los hilos de fase los protegen de

manera eficaz de las descargas atmosféricas directas.

Por experiencia se sabe que la probabilidad de un impacto directo en los hilos de fase localizados

dentro de arcos de ±30° debajo de los hilos de guarda se reduce un factor por un factor de 1000. Por

consiguiente se espera que algunas descargas caigan en estos alambres de blindaje aéreos.

Cuando esto ocurre, las ondas de corriente y voltaje que viajan se propagan en ambas direcciones a

lo largo del alambre de blindaje que recibe el impacto. Cuando una onda llega a una torre, una onda

reflejada regresa hacia el punto donde cayó el rayo, y aparecen dos ondas refractadas. Una de ellas

se mueve a lo largo del alambre de blindaje hacia el claro siguiente. Puesto que el alambre de

blindaje está conectado eléctricamente a la torre, la otra onda refractada desciende por la torre y su

energía se desvía a tierra sin daño alguno.

Sin embargo, si la impedancia de la torre o la impedancia torre a tierra es demasiada alta, los

voltajes IZ producidos podrían exceder la resistencia al rompimiento de los discos de los aisladores


- 18 -

que sostienen los hilos de fase. El número de discos aisladores por cuerda se selecciona para evitar

el salto del arco aislador.

Asimismo, las impedancias de torre y las resistencias de cimiento se designan tan bajos como sea

posible. Si la construcción inherente de la torre no da una baja resistencia de manera natural, se

utilizan varillas de conducción a tierra. En ocasiones se utilizan conductores enterrados que se

extienden por debajo de la línea llamados contrantenas.

2.8 EFECTOS DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN.

Las sobretensiones de origen atmosférico pueden ser originadas por el impacto directo de rayos en

líneas eléctricas y subestaciones, o inducidas por rayos que impactan en las proximidades de una

línea o subestación. Los impactos directos de rayos sobre líneas de transmisión producen perdida de

aislamiento del material, contorneando los aisladores y produciendo fallas a tierra que son

despejadas en última instancia por las protecciones convencionales.

La propagación de una sobretensión atmosférica por una línea tiene lugar a una velocidad próxima

a la de la luz; durante esta propagación tanto el valor de la cresta como el tiempo de subida se ven

fuertemente amortiguados debido al efecto pelicular y al efecto corona.

Para evitar los efectos de las descargas atmosféricas en los conductores de fase de una línea de

transmisión, se procede al blindaje de los mismos mediante cables de guarda o de tierra, y a la

reducción de la resistencia de puesta a tierra de las torres para disminuir el riesgo de flameo inverso.

Las líneas de transmisión están generalmente blindadas, por lo que el contorneo se puede originar

cuando una descarga alcanza un conductor de fase o un cable de tierra, ya sea en una torre o en

algún punto intermedio de un vano.

Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano incluyen:

Carga electrostática.

Pulsos electromagnéticos.

Pulsos electrostáticos.

Carga electrostática.

La célula de tormenta induce una carga estática en cualquier estructura inmersa en la tormenta.

Esta carga estática estará relacionada con la carga de la célula de la tormenta. Por esto se inducirá

una diferencia de potencial en la estructura o conductor respecto a tierra que será un posible

causante de interferencias.

Pulsos electromagnéticos.

Son el resultado de los campos electromagnéticos transitorios que se forman por el flujo de

corriente, a través del canal de descarga del rayo. Después de que se establece el canal de descarga


- 19 -

del rayo entre la nube y la tierra, llega a formarse un camino tan conductivo como un conductor

eléctrico. La corriente de neutralización comienza a fluir rápidamente y produce un campo magnético

en relación a la misma.

Pulsos electrostáticos.

Son el resultado directo de la variación del campo electrostático que acompaña a una tormenta

eléctrica. Cualquier conductor suspendido sobre la superficie de la tierra, está inmerso dentro de un

campo electrostático y será cargado con un potencial en relación a su altura, sobre la superficie de la

tierra.

a) Impacto en el hilo de guarda.

La figura 5 representa cuando un rayo impacta en medio del vano del hilo de guarda, cuando se

produce el impacto en medio de un vano, se originan dos ondas con intensidad igual a la mitad de la

del rayo, que se propagan en sentidos opuestos hacia las torres más próximas. Las tensiones

originas en este cable y en el conductor de fase serán:

DESCARGA

ATMOSFERICA

HILO DE

GUARDA

CONDUCTOR DE

FASE

RESISTENCIA DE

PUESTA A TIERRA

RESISTENCIA DE

PUESTA A

TIERRA

(RESISTENCIA

DE LA TORRE)

ugug ug ug

ut ut

ufuf uf

uf

Figura 5. Impacto en el hilo de guarda.

Siendo la impedancia características del cable de tierra, I max la intensidad de cresta del rayo, y

K el coeficiente de acoplamiento entre el cable de tierra y el conductor.

Si la diferencia es suficientemente grande, entonces el contorneo se producirá

entre el cable de tierra y el conductor de fase en el punto de impacto. En caso contrario, las ondas de

tensión que se produjeron en el punto de impacto alcanzaran las torres más próximas donde se

originarán ondas que viajaran a tierra. El valor de cresta de las tensiones entre las terminales de las


- 20 -

cadenas de aisladores dependerá entonces de las distintas reflexiones de ondas que se originen en

la torre.

Si el impacto se produce directamente en el punto de conexión con la torre, la corriente del rayo se

dividirá entre una parte que viajara a tierra a través de la torre, y otra que se dividirá a su vez en dos

partes iguales que se propagaran en ambos sentidos por el cable de tierra. Esto se representa en la

figura 6. DESCARGA

ATMOSFERICA

HILO DE

GUARDA

CONDUCTOR DE

FASE

RESISTENCIA DE

PUESTA ATIERRA

ugug ug

ut

ufuf

Figura 6. Impacto de una descarga atmosférica en una torre.

b) Impacto directo de la descarga atmosférica en la torre.

En la figura 7 se muestra el esquema que se empleara para analizar la sobretensión que se origina

por el impacto directo de una descarga atmosférica en una torre.

DESCARGA

ATMOSFERICA

RP

e e

I

h e

ZgZg

Zt

Figura 7 Impacto de un rayo en una torre.


- 21 -

El circuito equivalente incluye:

La torre, que es representada mediante una línea ideal con impedancia característica Zt y el

tiempo de propagación .

Los tramos del cable de tierra a ambos lados de la torre, que son representados por líneas

aéreas ideales, de longitud infinita en impedancia característica Zg.

La impedancia de puesta a tierra de la torre, que es representada por una resistencia

constante Rp.

Se supone que la descarga atmosférica se comporta como una fuente de corriente ideal

(impedancia paralelo infinita), en forma de rampa, con un valor de cresta y un tiempo de frente tf.

La tensión que aparece en la torre por el impacto de la descarga atmosférica será:

Donde es la intensidad de la descarga atmosférica.

El estudio se puede simplificar si se supone que:

En tal caso queda:

Los coeficientes de reflexión en ambos extremos de la torre serán:

Unión torre-puesta a tierra.

gp

gp

tp

tp

tZR

ZR

ZR

ZR

2

2

Unión torre-hilo de guarda.

02/

2/

tg

tg

gZZ

ZZ

Puesto que la aproximación anterior significa que no hay reflexión de ondas en el punto de unión de

la torre con el cable de tierra, el diagrama reticular presenta todas las ondas que aparecerán después


- 22 -

del impacto. La tensión máxima que se alcanzará en la torre antes de que llegue ninguna onda

reflejada desde la puesta a tierra se obtiene de acuerdo a la siguiente expresión:

f

ttt

t

IZi

ZeU max

111 22

)2(2

)2(

La relación ft

Imax es la pendiente inicial de la corriente de la descarga; usando la notación para

designar este factor se tiene:

Después de que llegue la onda reflejada en la puesta a tierra, la tensión en la unión torre-cable de

tierra puede continuar subiendo hasta alcanzar un valor máximo, que vendrá dado por la siguiente

expresión:

itttfc

f

tf

tftftft SZtRt

tteteteU

21)()2()(max

Siendo:

Se puede comprobar que el valor máximo de la tensión que se alcanzará es proporcional a la

pendiente del frente de la onda de corriente de la descarga del rayo. Otro factor que tienen una

influencia notable en este valor máximo es la resistencia de puesta a tierra: en general, cuanto más

elevado sea su valor, más elevada será la tensión que se originará por flameo inverso.

c) Impacto en un conductor de fase.

La figura 8 muestra un esquema con el impacto de un rayo en un conductor de fase, que

generalmente será el conductor situado en la fase más elevada o en una fase exterior. La corriente

del rayo se dividirá en dos partes iguales que darán lugar a dos tensiones que se propagarán en

ambos sentidos. La tensión máxima vendrá dada por la expresión:

21 /IZU maxc

pg

pg

eRZ

RZR

2


- 23 -

Figura 8 Impacto de un rayo en un conductor de fase.

Siendo Zc la impedancia característica del conductor de fase.

En las otras fases de la línea también se originaran sobretensiones por acoplamiento.

Si K es el coeficiente de acoplamiento entre dos fases, la tensión máxima inducida en otra fase

será:

212 /maxIKZKUU c

El contorneo en la línea puede originarse entre conductores de fase si la diferencia de tensiones.

212 /maxIKZKUU c

Es superior a la rigidez dieléctrica entre los conductores, o en la cadena de aisladores más próxima

al impacto si las tensiones que se propagan desde el punto de impacto superan la tensión soportada.

Solo se producirá contorneo si la intensidad del rayo que cae sobre un conductor supera un cierto

valor crítico IC.

Dada la distribución estadística de las intensidades de las descargas atmosféricas, la mayor parte

de las descargas daría lugar a una falla en el aislamiento si el impacto se produjera sobre un

conductor de fase, por esta razón, debe evitarse la caída directa de rayos sobre los conductores de

fase, lo que se consigue instalando cables de tierra que sirvan de blindaje contra el rayo.


- 24 -

CAPITULO 3 MÉTODOS DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

3.1INTRODUCCIÓN.

Las necesidad de transportar grandes cantidades de energía desde las grandes plantas

generadoras hacia los centros de consumo implica que las líneas de transmisión sean diseñadas no

solo para trabajar con diferentes tipos de perfiles topográficos, sino también con variados tipos de

terrenos, tales como rocosos, arenosos, de cultivo, áridos, etc., los cuales presentan diferentes

valores de resistencia y por lo tanto diferente respuesta ante la corriente de descarga.

La causa principal y más frecuente de sobretensiones de frente rápido en redes de potencia es el

rayo, aunque también se pueden originar como consecuencia de maniobra en situaciones en las que

las distancias entre los equipos y el interruptor son muy cortas [2].

Ante una descarga atmosférica, la primera línea de protección para el impacto directo a un

conductor en una línea de transmisión es el blindaje, el cual es proporcionado por los hilos de guarda,

los cuales al ser impactados por un rayo brindan a la onda de impulso un camino directo a tierra en

cada torre (bajada de hilo de guarda en cada torre) las cuales a su vez se encuentran debidamente

aterrizadas a tierra con varillas dispuestas en forma horizontal a cierta profundidad, cuando las

condiciones para la instalación de líneas de transmisión no son las más favorables, esto es el tipo de

terreno no presenta una resistencia favorable, entonces se pueden tomar medidas para el

mejoramiento como son:

Instalación de contrantenas.

Mejoramiento en el blindaje del sistema.

Mejoramiento de la resistividad del terreno.

Uso de apartarrayos.

3.2 TIPOS DE TORRES Y SU GEOMETRÍA.

Las líneas de transmisión aéreas son constituidas principalmente por torres de transmisión es por

ello que se debe reconocer el tipo de torre de transmisión para el análisis de su geometría y

impedancia que tiene tanto propia y al pie de ella.

Por su función:

Torres de remate.

Torres de tensión (figura 9).

Torres de suspensión (figura 9).

Torres de flexión.

Torres de transposición.

Estructuras de emergencia ERS (figura 11).


- 25 -

Por su material de construcción:

Madera.

Concreto.

Tubo de acero.

Celosía de acero.

Tubo de acero relleno de concreto.

Por su arreglo de conductores:

Portal.

Delta.

Nivel sencillo.

Dos niveles.

Tres niveles.

Barril.

Por su construcción:

Autosoportadas de celosía (estructurales).

Autosoportadas tubulares.

Con retenidas (ver figura 10).

Modulares.

Figura 9 Ilustración de la implementación de las torres por su función [19].


- 26 -

Figura 10 Dimensiones de torre de transmisión de retenida en 400 kV [19].

Figura 11 Ejemplo de torre de transmisión por su función torre de emergencia (ERS) [19].


- 27 -

3.3 ANGULO DE BLINDAJE.

El objetivo del blindaje es el de reducir el número de interrupciones que provocan las descargas

atmosféricas, de forma que cuando estas impacten sobre el sistema de blindaje y se deriven a tierra.

Las descargas atmosféricas que impactan en los hilos de guarda generan sobretensiones

transitorias que son amortiguadas por la longitud de la línea pero dañan los elementos conectados a

ella.

Las líneas aéreas de transporte y distribución de energía eléctrica están expuestas a las descargas

atmosféricas, siendo este uno de los motivos más habituales de fallo del aislamiento. En caso de que

un rayo impacte sobre una línea aérea, se origina una elevada sobretensión que puede producir el

cebado de los aisladores si se supera su nivel de asilamiento. En tal caso la sobre tensión se

descarga a tierra a través el apoyo, lo que implica una falla a tierra. Y si el aislador permanece

contorneado, una vez haya pasado la sobre tensión, las protecciones deberán despejar la falla

abriendo la línea y regenerándola.

Para disminuir el número de salidas debido a descargas atmosféricas es habitual la instalación de

cables guarda (Overhead Ground Wire, OGW), en la parte superior de los apoyos. Con esto se

pretende que las posibles descargas atmosféricas impacten sobre un cable de guarda y se deriven a

tierra las posibles sobre intensidades.

Existe una gran variedad de formas de corriente de descarga y cada rayo pude contener una o más

descargas. Todas ellas representan una característica básicamente cóncava, pero no existe un

modelo único. La forma de onda de corriente de una descarga atmosférica puede ser mediante una

doble exponencial o mediante una onda triangular.

En forma práctica, el blindaje se expresa como un ángulo entre los conductores de guarda y los

conductores de las fases externas de la línea como se muestra en la figura 12.

Figura 12 Geometría de la línea de transmisión [19].


- 28 -

Donde:

a Ángulo de blindaje.

fc Flecha del conductor de fase en el punto medio.

fg Flecha del cable de guarda en el punto medio del claro.

hc Altura equivalente del conductor.

hg Altura equivalente del hilo de guarda.

hm Altura del conductor de fase en el punto medio.

H Altura del cable de guarda en el punto medio.

Debido a que la posición relativa de los conductores de fase y los cables de guarda varían en el

punto medio del claro con respecto a la posición de la torre o estructura, entonces el ángulo de

blindaje se calcula para el punto medio del claro. La altura equivalente del cable de guarda en

terrenos planos se calcula como:

Para terrenos ondulados:

Para terreno montañoso:

mhHb

Siendo:

b Separación entre los cables de guarda y el conductor de fase en el punto medio del claro.

El ángulo de blindaje es indicativo de la probabilidad de que un rayo incida sobre los conductores de

fase, en general los ángulos de blindaje se relacionan con las alturas de las estructuras (a mayor

altura, mayor probabilidad de descarga), de manera que se establecen las siguientes relaciones:

Para líneas de transmisión del cable de guarda y un hg 25.0 m; 15° 30°, la probabilidad

de violar la zona de protección es de P = 40% figura 13.

Para líneas de transmisión con dos cables de guarda y un hg 30.0 m; 0° 15°, la

probabilidad de violar la zona de protección es de P = 12% figura 13.

cc

gg

fh

fhH

3

2h

fase de sconductore los para, 3

2

m

cm

g

hh

hH

cm

g

hh

hH

2

2


- 29 -

Figura 13 Altura de la torre contra ángulo de blindaje [2].

En el diseño del hilo de guarda se debe considerar su ubicación en la estructura y sus

características mecánicas, esto es su resistencia a las cargas mecánicas con una flecha adecuada.

En cuanto a sus características eléctricas este debe tener bajas pérdidas por inducción y por tanto

tensiones inducidas de un valor seguro al personal. El objetivo final en el diseño del cable de guarda

es entonces su ubicación en la estructura tal que reduzca la posibilidad de incidencia de descargas

atmosféricas directas o indirectas al hilo conductor. Aunque el método del ángulo fijo es el más

utilizado (como el caso anterior) existe otro método más efectivo que considera la corriente de rayo,

dicho método es el método electrogeométrico.

Tasa de cebados [2].

Tasa de cebados directos SFFOR (Shielding Failure FlasOVER Risk) es el número de descargas

que impactan sobre un conductor de fase; sin embargo no todas ellas acaban en un cebado del

aislador, si no solamente aquellas que produzcan una sobretensión que supere el nivel del

aislamiento a impulso tipo rayo (CFO) del aislador. De esta forma el SFR la tasa total de

apantallamientos en la línea aérea incluye todos los impactos que caen en el conductor de fase (los

que producen cebado en el aislador y los que no la producen).

Existen en la literatura ecuaciones que son aproximaciones que nos permiten determinar la

distancia de atracción o de caída (striking), con las cuales se pueden determinar a qué distancia una

corriente de rayo puede ser atraída por un punto más alto.

El concepto de una distancia de caída S es introducido. Lo que esto significa es que cuando la

punta de la descarga o de la guía está dentro del alcance de la distancia S de un objeto aterrizado, la

probabilidad de que la guía termine en este objeto es significativamente más grande que la

probabilidad de que golpe a otro objeto más alejado. Se ha observado que S es una función de la

corriente y se ha propuesto por la siguiente relación:

65.010IS

2

)()(2 mc

cmcg

IQIQDDLNSFFOR


- 30 -

Donde S esta dado en metros e I en kA. De esta manera, si I = 10 kA, S = 44.7 m y si I = 50 kA, S =

127 m. Siguiendo la aproximación de Anderson, se construye el diagrama mostrado en la figura, la

cual muestra la disposición relativa de un conductor de tierra G y un conductor fase definido por el

ángulo de blindaje . Seleccionando alguna corriente I, los arcos son trazados con G y como

centros y radio S correspondiente a I.

Figura 14 Ángulo de blindaje [2].

La línea horizontal en la línea S, indican que las guías que se aproximen en la cercanía de S de la

superficie de la tierra son dispuestos a terminar en la tierra en lugar de G o . De acuerdo a Anderson

0.8 para líneas de Extra Alto Voltaje (EHV) y 0.67 para líneas de Ultra Alto Voltaje (UHV). Esta

línea y los dos arcos definen tres regiones, las guías con magnitud de corriente I que penetran el arco

OP tenderán a terminar en el conductor de tierra, de la misma manera si la guía penetra la región QR

irá a tierra. Si la guía penetra entre el arco PQ la corriente I será atraída al conductor fase y eso

representa una falla de blindaje. Visto desde arriba, hay un campo desprotegido de ancho X que es

paralelo a la línea de transmisión.

Para valores mayores de S que los mostrados en la figura 14, correspondiendo a valores más altos

de I, el arco PQ se reducirá. En algún valor de I que nosotros designamos I max, los puntos P y Q

coincidirán. No debe de haber fallas de blindaje para magnitudes de corrientes de rayo por encima de

la corriente Imax.. Recíprocamente como S se reduce para corrientes más pequeñas que los escogidos

por la figura 14 el arco PQ y su proyección X incrementará. Sin embargo, hay una corriente que

designamos Imin., bajo el cual una caída al conductor fase será de pequeña consecuencia debido a

que generará un voltaje insuficiente para causar un flameo en la cadena de aisladores. En una

primera aproximación este voltaje corresponde al voltaje de flameo crítico de la cadena de aisladores.

De esta manera si despreciamos la impedancia del canal del rayo,

Donde VCFO es el voltaje crítico de flameo del aislador y Z0 es la impedancia de impulso de la línea.

En esta ecuación arbitrariamente ignoramos el potencial a 60 Hz del conductor fase. El valor de X

corresponde a Imin que llamaremos Xs.

Para que una falla de blindaje ocurra, la corriente debe estar en el rango Imin < I < Imax, y las caídas

deben terminar dentro de una zona que designamos Xs. La probabilidad de un estado actual dentro

R

Q

S

S

S

G

X

h g h

P

ßS

alfa

0

0

min

2

Z

VI CFO


- 31 -

de un rango particular se puede obtener de la distribución de probabilidad acumulativa de magnitudes

de corriente. Es decir, la probabilidad Imin < I < Imax = Pmin - Pmax.

Tabla 2 Distancias de incidencia con referencia a la figura 15.

Origen

rg a tierra o suelo rc a conductores fases

e hilos de guarda

A b A b

Young 27.0 10.0 rgd 0.32

Brown-Whitehead 6.4 0.75 7.1 0.75

Love 10.0 0.65 10.0 0.65

IEEE-1991 T&D Committee rca 0.65 8.0 0.65

IEEE-1992 T&D Committee rcb 0.65 10.0 0.65

Mousa and IEEE-1995

Substations Committee

8.0 0.65 8.0 0.65

Expresiones para la distancia de incidencia (Striking distance), r = AIb como se muestra en la figura

15.

Figura 15 Modelo geométrico para un solo hilo guarda [19].

Se dan las siguientes distancias de descarga o incidencia:

A los conductores de fase rc.

A los hilos de guarda rs.

3.4 INSTALACIÓN DE CONTRANTENAS.

Este dispositivo se ha adoptado en terrenos rocosos o arenosos donde las varillas, placas o estacas

usuales de toma de tierra resultan poco eficaces. Además de la reducción de la resistencia, se espera

obtener alguna ventaja de la capacidad a tierra de los conductores y conseguir una reducción en la


- 32 -

diferencia de potencial entre los conductores de línea y de tierra, debido a la inducción mutua entre

los conductores de línea y los de tierra con los de contrapeso.

Se calcula que dos conductores enterrados, paralelos, tendidos de torre a torre, han de producir una

protección equivalente a la conseguida con tomas en tierra de 10 Ohm, aun en casos de terrenos de

alta resistividad.

Las instalaciones de contrapeso o contrantena, tanto las de tipo radial, que se extienden

diagonalmente desde la torre, como las de tipo paralelo, han resultado, en general, completamente

satisfactorias.

Las teorías propuestas por diversos investigadores como medio de calcular el número, disposición y

longitud más convenientes de los conductores de contrantenas son complicadas, y es necesario

confirmarlas con la experiencia. Para disminuir la resistencia al pie de la torre, que es la que se

obtiene efectuando mediciones con un puente de corriente continua, hay que aumentar la longitud

total de la contrantena, mientras que la impedancia ofrecida a las ondas de impulso o de choque se

disminuye mejor aumentando el número de conductores que salen de la torre. La resistencia de

dispersión de una varilla enterrada considerando corrientes de baja frecuencia, se puede calcular de

acuerdo con la ecuación:

Donde:

r Radio del electrodo o varilla.

ρ Resistividad del suelo en W - m

l Longitud de la varilla

Para valores elevados de resistividad del terreno (por ejemplo mayores de 300W –m) se instalan

contrantenas con disposiciones reales y paralelas.

Algunos arreglos típicos de conexión para red de tierras en líneas de transmisión, se muestra en la

figura 16.

Figura 16 Arreglo de conexión a tierra con contrantenas.

rnR

2

2


- 33 -

En las conexiones a tierra de mayor extensión hechas con cables para contrantena, la probabilidad

de que el campo eléctrico alcance un valor que provoque la ionización del suelo es más remota,

debido a que la corriente queda menos concentrada en su distribución por el suelo a través de una

trayectoria más larga. La resistencia de tierra o de dispersión para una contrantena con cables

desnudos se obtiene de acuerdo con la ecuación:

Donde:

R Radio del conductor.

D Profundidad a que se entierra el cable (paralelo a la superficie de tierra)

3.5 MEJORAMIENTO DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO.

El terreno puede considerar como conductor de la corriente eléctrica la cual está formada

básicamente de partes sólidas minerales y sendas de tipo líquido y gaseoso, es un agregado.

Los líquidos y gaseosa que rellenan los poros de la fracción sólida son en la mayoría de los casos,

soluciones acuosas de diferentes sales minerales: [2]

Fracción gaseosa: Es básicamente parecida al aire, con la única diferencia que tiene más

concentración de CO2 debido a los microorganismos.

Fracción liquida: Es una solución mineral acuosa que se une entre los huecos.

Fracción solida: Esta formada por partículas coloidales (arcilla) contribuyendo a las propiedades

del terreno.

La conductividad de un terreno electrolítico por el que básicamente circula una corriente por el

electrólito que rellena los poros está influenciado por humedad:

Donde:

ρ(h) Resistividad de la roca

k Coeficiente igual a la relación entre el volumen del espacio poroso por la humedad y el

volumen total del espacio poroso

ρ(H) Resistividad de la roca saturada

La permitividad relativa del terreno (εr) influye en el fenómeno de dispersión de la corriente eléctrica

solamente en el caso en el que la frecuencia sea del orden de MHz. En la mayor parte de los

minerales que forman el terreno, la permitividad relativa está entre 3 y 10, llegando raramente a

valores de 25. La humedad del agua es un factor importante a tener en cuenta al considerar la

permitividad del terreno, debido al elevado valor de su permitividad relativa (εr=81).

1

2

rdnR


- 34 -

El conocimiento de la naturaleza del terreno, su comportamiento al paso de la corriente, la

profundidad de difusión, la influencia de posible agua retenida en el subsuelo, el comportamiento

isótropo o anisótropo del terreno en relación con el aspecto exterior, son elemento a cuantificar en el

estudio del terreno.

Para ello, se procede a medir su característica principal, la resistividad (ρ), que puede considerarse

independiente de la rigidez dieléctrica y de la frecuencia de la corriente, y en la que influyen factores

tales como: resistividad de los minerales que forman la fracción sólida; resistividad de los líquidos y

gases que rellenan los poros de la fracción solida, salinidad; superficie de separación de la fase

líquida con la fase solida: temperatura y textura.

HUMEDAD: El agua interviene en la variación de los valores de la resistividad de los terrenos

modificando la concentración de las sales que forman los líquidos que se encuentran en las rocas. El

agua presenta valores de resistividad variables dependiendo de la mineralización que presente, por

ejemplo:

TEMPERATURA: La resistividad aumenta lentamente a medida que la temperatura se acerca a 0°C,

siendo este aumento más rápido cuando el terreno alcanza temperaturas inferiores a 0°C, afectando

estas variaciones, principalmente a las capas próximas a la superficie del terreno.

SALINIDAD: La resistividad disminuye con el contenido de sales del terreno, entre las que juega un

papel importante el NaCl, encontrándose estas sales normalmente en forma de soluciones acuosas.

La baja resistencia de puesta a tierra es el factor más importante en el proyecto de instalaciones de

cable de tierra por lo que el material y la conductividad de los cables de tierra son de importancia

secundaria, y lo más ventajoso es disponer varios pasos o circuitos en paralelo.

Con el fin de lograr una conducción del impulso del rayo aceptable en terrenos con resistividad muy

alta donde la instalación de contrantenas no es suficiente, la alternativa es la adición de compuestos

químicos al subsuelo para mejorar la resistividad generalmente: (ver figura 17)

Sales químicas

Materiales higroscópicos

Sales metálicas gruesas

Mezcla de rellenos


- 35 -

Figura 17 Mejoramiento de la resistividad del terreno [19].

El reglamento de alta tensión informa de los valores de la resistividad de los diferentes tipos de

terreno tabla 3 [2]; lo más importante es hacer una investigación del terreno y ver los valores de

resistividad a profundidad figura 18.

Tabla 3 Resistividad de diferentes terrenos [19].

Nota: Son considerados buenos terrenos aquellos con resistividad entre 50 y 100 Ω-m.


- 36 -

Figura 18 Resistividad en Ω-m de diferentes rocas, minerales y químicos [19].

3.6 RESULTADOS DESPUÉS DE UNA DESCARGA ATMOSFÉRICA

La experiencia ha demostrado que luego de una tormenta siempre debe recorrerse una línea, ya

que es común encontrar deshilachados, aisladores descargados, postes rajados, etc.

Lo que se pretende es encontrar la menor cantidad de anormalidades, por ello se ha trabajado

instalando apartarrayos a lo largo de las líneas. Para lo cual se deben tomar en cuenta una serie de

consideraciones:

1) Ubicación de la línea: La caída de un rayo sobre una línea en el campo ó en poblaciones

rurales es mucho más probable que en la ciudad.

2) Importancia de la línea: Las líneas de 400kV tienen más importancia que otras ya que si bien

pueden ser rurales brindan servicio a consumidores importantes, por lo que se ha privilegiado

comenzar por estas líneas.

3) Longitud y topografía del terreno: Hay líneas de gran longitud o que por tener su recorrido por

caminos de tierra, su acceso es complicado, entonces se trata de que no sea afectada por las

descargas eléctricas.

4) Salidas de servicio ante descargas: En una misma zona y ante iguales niveles isoceráunicos

hay líneas que abren más que otras, por lo que se deben tener en cuenta a las mismas.

Se sabe que el costo de un apartarrayos no es bajo y si a esto se le suma que sólo hay una

probabilidad de falla, entonces no es fácil convencerse de colocar unos cuantos para que la línea no

abra. Pero también existen otras consideraciones a tener en cuenta: cuando se produce un fallo se

moviliza bastante gente, y cuando se producen varios fallos en diferentes frentes es mayor la

cantidad de gente, y no todas las fallas son simples de resolver ó de corto tiempo.


- 37 -


4.1 INTRODUCCIÓN.

Los principios básicos en los que se basan los dispositivos de protección contra sobretensiones son

básicamente dos: limitar las sobretensiones que se puedan originar y prevenir la aparición de las

sobretensiones, con esto es posible reducir el nivel de aislamiento requeridos para cada equipo al

mismo tiempo se tiene una protección efectiva y se reducen los costos de instalación. Los

apartarrayos son dispositivos con características no lineales tensión intensidad de corriente, limitan el

nivel de la sobretensión en sus terminales al valor de la tensión residual cuando descargan la

corriente del rayo protegiendo de esta manera al equipo o a los aisladores de la línea.

4.2 DESCRIPCIÓN Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.

El dispositivo mas empleado para limitación de sobretensiones es el apartarrayos. El apartarrayos

más utilizado en la actualidad es el de óxidos metálicos, que se comporta como una resistencia no

lineal, cuyo valor es muy elevado cuando la tensión entre sus bornes terminales es inferior a la

tensión residual, pero se reduce, drásticamente cuando la tensión entre terminales tiende a superar el

valor residual.

Como primera aproximación se puede suponer que un apartarrayos de óxidos metálicos limita la

tensión a su valor residual; en realidad, el comportamiento del apartarrayos es algo más complejo y la

tensión que aparecerá entre terminales dependerá de la corriente de descarga.

La protección que brinda el apartarrayos contra sobretensiones de frente rápido depende de lo

siguiente:

1) La amplitud y forma de onda de sobretensión

2) La característica de protección del apartarrayos

3) La amplitud y forma de la onda de la corriente que circula por el apartarrayos

4) La impedancia característica y/o la capacitancia del equipo protegido

5) La distancia del apartarrayos al equipo protegido incluyendo las conexiones a tierra

6) El número de líneas conectadas y su impedancia característica

La figura 19 muestra el caso de un apartarrayos que ha sido instalado para proteger el

transformador en una subestación. Una onda de sobretensión originada por una descarga

atmosférica en la línea aérea se dirige hacia el transformador. Al pasar por el apartarrayos la onda de

tensión es recortada a un valor máximo que se puede suponer que el valor de la tensión residual del

apartarrayos. Si este valor fuera superior al de la tensión soportada a impulsos de tipo rayo por el

transformador, el apartarrayos habrá cumplió su misión.

En realidad el proceso transitorio que se origina es bastante complejo y la tensión que aparece en el

transformador no solo depende de la tensión residual del apartarrayos, sino que también está influida

por la pendiente del frente de onda de tensión que se traslada hacia el transformador, de la distancia


- 38 -

de separación entre apartarrayos y transformador y de la longitud de los cables de conexión del

apartarrayos a la línea y a tierra.

Figura 19 Transformador protegido mediante apartarrayos.

4.3 APARTARRAYOS DE CARBURO DE SILICIO (SiC) CON EXPLOSORES.

Hasta los años ochenta, los dispositivos más comúnmente utilizados para proteger diferentes

equipos y líneas de transmisión contra sobretensiones eran los descargadores o apartarrayos con

explosores. Consisten en la asociación en serie de explosores y resistencias variables (varistores),

como muestra la figura 20. En condiciones normales de operación, los varistores están aislados del

circuito por el explosor, siendo introducidos cuando se produce el cebado del explosor como

consecuencia de una sobretensión [2]. Por tanto, el elemento resistente es diseñado desde el punto

de vista de disipación de energía y limitación de tensión bajo estas condiciones, sin considerar el

estado de no disparo del explosor (ya que entonces la resistencia está aislada). El material más

utilizado tradicionalmente preparado como varistor ha sido el carburo de silicio (SiC).

LINEA

EXPLOSOR

APARTARRAYOS

VARISTOR

Figura 20 Esquema de apartarrayos con explosor y varistor.

La tensión de cebado (sparkover voltage) es aquella que causa el cebado de los electrodos del

apartarrayos (formación del arco en los explosores) [2]. La magnitud de esta tensión de cebado


- 39 -

depende de la forma de onda de la sobretensión. Así, según el tipo de onda considerado se definen

diferentes tensiones de cebado:

Tensiones de cebado al frente de onda.

Tensión de cebado al 100 por 100 de la onda de choque.

Tensión de cebado al 50 por 100 de la onda de choque.

Tensión máxima de cebado en la onda de choque por maniobra.

Tensión alterna de cebado.

Tensiones de cebado al frente de onda: Se da como valor cresta en kV, y es una medida del

comportamiento al cebado del apartarrayos en caso de ondas de sobretensión con elevadas

pendientes, tales como las que se presentan por descargas en las cercanías del apartarrayos.

Tensión de cebado al 100 por 100 de la onda de choque: Es el valor crest, en kV, de la tensión de

choque 1,2/50 más baja, con polaridad positiva o negativa, que ocasiona siempre el cebado del

apartarrayos.

Tensión de cebado al 50 por 100 de la onda de choque: Designada también “voltaje crítico de

impulso”, es el valor cresta en kV, de la onda normalizada 1,2/50, la cual, aplicada repetidamente,

causa el cebado del apartarrayos la mitad de las veces, aproximadamente.

Tensión máxima de cebado en la onda de choque por maniobra: Es el valor cresta en kV, de la

mínima tensión de conexión con frentes de 30 a 2000 s que da lugar al cebado del apartarrayos.

Tensión alterna de cebado: Se da como valor efica, en kV, y es el mínimo valor cresta de una ten-

sión a frecuencia industrial dividido por 2 que origina el cebado del apartarrayos.

Si el varistor de SiC estuviera permanentemente en paralelo con el resto del sistema (es decir, sin

explosores), la corriente residual que circularía a través suyo por estar conectado a la red sería tan

elevada que lo destruiría. Por tanto, los explosores tienen una doble función:

Aislar la resistencia variable de la tensión del sistema, de forma que por el apartarrayos no

circule ninguna corriente residual en condiciones normales de explosión.

En caso de producirse una sobretensión en el sistema, el explosor debe reaccionar dejando el

varistor en paralelo con la red, derivando la sobreintensidad a tierra por medio del arco y de las

resistencias variables, y extinguir la corriente residual originada por la tensión de servicio

después del proceso de derivación.

El principal problema asociado a los apartarrayos de SiC radica en la extinción del arco una vez

finalizada la sobretensión, ya que en caso de no producirse conllevaría la destrucción de las

resistencias variables debido a la gran exigencia energética. La necesidad de distribuir

uniformemente la tensión de cebado entre los explosores de la columna de un módulo y mantenerla

dentro de los límites, condujo a introducir elementos reguladores en los apartarrayos de mayor

responsabilidad (especialmente para tensiones a partir de 245 kV), basados en resistencias de


- 40 -

compensación no lineales, de impedancia mucho más elevada que la de los bloques de SiC

principales, y que forman el control óhmico del apartarrayos.

La complejidad de fabricación y funcionamiento de los apartarrayos de SiC debida a la presencia de

explosores (con la consiguiente necesidad de extinción del arco generado) y las peores

características del SiC hacen que actualmente las empresas eléctricas ya no instalen este tipo de

apartarrayos (actualmente se utilizan pararrayos de ZnO sin explosores), aunque todavía permanece

instalada una gran cantidad de ellos en el actual sistema eléctrico.

4.4 APARTARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS (ZnO) SIN EXPLOSORES.

A mediados de los años ochenta aparecen por primera vez en el mercado nuevos materiales para

una amplia gama de aplicaciones eléctricas y electrónicas. Dentro de este grupo de materiales

destacan los varistores de óxido de zinc (ZnO) semiconductores cuya propiedad más relevante es la

fuerte no-linealidad de su curva característica (tensión-intensidad), que los hace muy útiles en la

tecnología de los apartarrayos.

Estos compuestos son fabricados a partir de la mezcla de polvo de ZnO con óxidos de metales de

transición (Bi, Sb, Mn, Co, etc). Su procesamiento es, en líneas generales: mezcla, compactación y

sintetización. Las propiedades eléctricas que desarrollan dependen de la composición de partida, la

calidad de los polvos (tamaño de las partículas y pureza de los mismos), así como de las condiciones

de fabricación. En la figura 21 se presenta el esquema general de un apartarrayos de ZnO, así como

una vista de su corte.

La propiedad eléctrica más importante del ZnO es la posibilidad de soportar corrientes de muy

distintas magnitudes en un estrecho rango de tensiones; por ejemplo, para variaciones de tensión de

un factor 103, la intensidad puede variar un factor de 106.

Figura 21 Corte de un pararrayos de óxido de zinc con envolvente de porcelana [6].


- 41 -

4.5 VENTAJAS DE LOS APARTARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS.

Los apartarrayos de óxido de zinc presentan un conjunto de ventajas frente a otros tipos de

dispositivos (varistores de SiC con explosores) [2]:

Su coeficiente de no-linealidad es muy superior al del SiC, lo que simplifica enormemente su

construcción y funcionamiento, ya que permite prescindir de los explosores y de las

resistencias y condensadores en paralelo.

Es posible conocer su estado de envejecimiento midiendo la corriente resistiva [2], mientras

que en los de SiC se requieren métodos sofisticados para conocer su estado.

Presentan una tensión residual muy estable, puesto que la ausencia de explosores elimina el

carácter errático asociado al desgaste de estos.

Permiten una disminución del riesgo de explosión. La complejidad funcional de los

apartarrayos de SiC hace que puedan presentarse sobrepresiones en el interior de los

mismos, con el consiguiente peligro para los equipos que protegen o para las personas. Este

riesgo es mucho menor en los apartarrayos de ZnO.

Los apartarrayos de ZnO han sido tradicionalmente de envolvente cerámica. En los años noventa

aparecen apartarrayos de ZnO con envolventes poliméricas, que están sustituyendo a las

envolventes cerámicas, ya que disminuyen considerablemente los riesgos derivados de posibles

explosiones por sobrepresiones en el interior de los mismos, y proporcionan mayor estabilidad a los

varistores debido a la ausencia de atmósfera en el interior de estos apartarrayos. Además, la

utilización de envolventes poliméricas permite disminuir de manera considerable el tamaño del

apartarrayos sin incremento notable del precio.

Estas ventajas han hecho que, durante los últimos años, muchas compañías eléctricas hayan

realizado campañas para sustituir sistemáticamente los apartarrayos de SiC por apartarrayos de ZnO,

disminuyendo así sobretensiones transitorias de su sistema.

4.6 CURVA CARACTERÍSTICA V-I.

La característica tensión-intensidad de la zona no lineal para un varistor de resistencia variable

viene expresada en general según la siguiente ecuación:

Donde el factor depende del material y del proceso de fabricación, y α es controlado por la

geometría del elemento, siendo directamente proporcional a la sección del elemento e inversamente

proporcional a la longitud del mismo. Una medida de la no-linealidad entre comente y tensión es el

exponente α (coeficiente de no-linealidad), cuyo valor depende de las características del material.

Para el SiC, este factor α está comprendido entre 2 y 6, mientras que para el ZnO puede alcanzar

valores comprendidos entre 20 y 50. Por tanto, el ZnO presenta mayor no-Iinealidad que el SiC,

véase la figura 22.


- 42 -

Figura 22 Características tensión-intensidad de los apartarrayos de ZnO y SiC [2].

En la característica de la figura se distinguen tres regiones de operación:

a) Región 1: Predescarga, prerruptura o lineal

A menudo se denomina también zona óhmica, de fugas o de baja corriente. Es la zona de trabajo

del apartarrayos correspondiente a las condiciones normales de operación de la red (en ausencia de

sobretensiones). La corriente que circula a través del apartarrayos en esta zona de operación se

denomina corriente de fuga, y es proporcional a la tensión. La resistividad del material en esta región

presenta una dependencia con coeficiente negativo respecto a la temperatura (a mayor temperatura

menor resistencia y, por tanto, mayor corriente de fugas), por lo que la curva característica tensión-

intensidad varía en función de la temperatura. Trabajar a temperaturas elevadas implica un aumento

de la energía a disipar, incrementándose aún más la temperatura y, por tanto, el riesgo de la ruptura

térmica, que supone la destrucción del elemento. Lo mismo sucede trabajando con tensiones muy

elevadas. Por ello, cada apartarrayos tiene un valor máximo eficaz de tensión de funcionamiento

continuo por encima del cual no está garantizado su correcto funcionamiento. En esta zona la

corriente de fuga es inferior a 105 A/mm. La elevada no-linealidad de los varistores de ZnO permite

poder prescindir de explosores, debiendo el apartarrayos ser capaz de soportar la tensión más

elevada de la red (Ur) durante tiempo indefinido.

b) Región 2: Región de descarga, ruptura o no lineal

En este segundo tramo de la curva tensión-intensidad no existe dependencia respecto a la

temperatura, y su expresión es:

a

U

U

I

I

2

1

2

1

Donde α es el coeficiente de no-linealidad, que varía entre 30 y 50, I es la corriente de descarga

(I>10-5 A/mm2 en esta región) y U es la tensión residual del apartarrayos. En esta región, grandes


- 43 -

aumentos de la corriente de descarga producen pequeños incrementos en la tensión residual. Por

tanto, a mayor coeficiente de no-linealidad, mayor será la protección (menor incremento de tensión

para cada valor de corriente de descarga). Esta es la zona de funcionamiento del apartarrayos

cuando se produce una sobretensión significativa en el sistema.

c) Región 3: Alta descarga o alta corriente (upturn)

En esta zona la corriente crece muy rápidamente, a partir de 0,2 a 0,5 A/mm2. La curva

característica tensión-intensidad es de nuevo lineal, de forma similar a la de baja corriente.

4.7 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS.

Las características necesarias para definir y seleccionar apartarrayos de resistencia variable sin

explosores para un sistema eléctrico son:

Tensión nominal o asignada: Ur.

Tensión de funcionamiento continuo: Uc.

Capacidad del apartarrayos frente a sobretensiones temporales: TOVC.

Corriente nominal de descarga: ln

Clase de descarga de línea.

Tensión residual o de descarga: Ures

Nivel de protección a impulsos tipo maniobra.

Nivel de protección a impulsos tipo rayo.

Clase de limitador de presión.

Línea de fuga.

Corriente permanente del apartarrayos.

Presencia de dispositivo de desconexión.

Frecuencia asignada.

a) Tensión de trabajo continúo

La tensión de funcionamiento continuo (Uc) de un apartarrayos (continuos operating voltage) es el

valor máximo admisible de tensión eficaz a frecuencia que puede aplicarse de forma permanente en

los bornes de un apartarrayos [8]. Representa la tensión eficaz máxima; entre sus terminales de

forma permanente y es capaz de soportar cuando está trabajando en forma normal.

b) Tensión nominal.

La tensión asignada o nominal (Ur) de un apartarrayos (assigned voltage) es el valor eficaz máximo

de tensión a frecuencia industrial admisible entre sus bornes (terminales) para el cual está previsto un

funcionamiento correcto en condiciones de sobretensiones temporales establecidas en los ensayos

de funcionamiento [8].


- 44 -

c) Tensión residual.

La tensión residual (Ures) de un apartarrayos (residual voltage, discharge voltage) es el valor de

cresta de la tensión que aparece entre bornes del apartarrayos durante el paso de la corriente de

descarga [5]. Su valor depende de la forma de onda y la magnitud de la corriente de descarga. Las

tensiones residuales se obtienen para impulsos de corriente tipo maniobra (30/60 µS para pararrayos

de 10 kA y 20 kA) y tipo rayo (8/20 µs) para todos los apartarrayos, independientemente de su

corriente nominal. Los valores de cresta de las corrientes para los ensayos de tensión residual vienen

definidas en IEC 60099-4 [8], y son valores mínimos que el fabricante debe presentar en función de la

corriente nominal de descarga y clase de descarga de línea del apartarrayos.

d) Corriente nominal de descarga.

En general, se denomina corriente de descarga a la onda de corriente que circula por el

apartarrayos cuando se encuentra en la zona de descarga o alta descarga [8]. La corriente nominal

de descarga (I) de un apartarrayos (nominal discharge currenf) es el valor de cresta del impulso de

corriente tipo rayo (8/20 u.s) que se usa para designar el apartarrayos. Los valores normalizados de

corriente nominal de descarga son [8]: 1,5 kA, 2,5 kA, 5 kA, 10 kA y 20 kA.

e) Clase de descarga de línea.

Para apartarrayos de 10 kA y 20 kA se define la clase de descarga de línea como la capacidad del

apartarrayos para disipar la energía correspondiente a la descarga de una línea precargada [8].

Existen cinco clases de descarga de línea normalizadas: clases 1, 2 y 3 para los apartarrayos de 10

kA de corriente nominal, y clases 4 y 5 para las de 20 kA. La normativa no define de forma explícita la

capacidad energética de un apartarrayos como un valor expresado en kJ o kJ/kV, sino que define los

parámetros de ensayo que determinan la clase de descarga de línea del apartarrayos [2].

4.8 CONDICIONES NORMALES DE SERVICIO.

Los apartarrayos especificados bajo la Norma IEC60099-4 cumplen con las siguientes condiciones

normales de funcionamiento:

Temperatura ambiente de entre -40ºC y +40ºC.

Radiación solar máxima: 1.1 kW/m.

Altura no mayor a 1000 msnm.

Frecuencia de la fuente de alimentación entre 48 y 62 Hz.

La tensión de frecuencia industrial aplicada continuamente entre las terminales del apartarrayos no

debe superar a la tensión de operación continua del mismo.

Condiciones mecánicas (bajo consideración, verificar con el fabricante).

Velocidad del viento menor a 34 m/s.

Montaje vertical.


- 45 -

Por lo tanto durante la selección del apartarrayos, es necesario verificar que se cumpla con las

condiciones antes descritas. En caso de no cumplir con alguna de estas condiciones, se deberá

solicitar al fabricante un apartarrayos apropiado para operar bajo las condiciones reales al sitio de

instalación. En la práctica es común que el fabricante supere los requisitos de la norma en sus

modelos estándares.


- 46 -

CAPITULO 5 PROCEDIMIENTO PARA LA SELECCIÓN DE APARTARRAYOS.

5.1 INTRODUCCIÓN.

Aquí se hablara con más énfasis en la forma correcta de selección de un apartarrayos; esto se

refieren a la aplicación más común conectado entre fases y tierra, con lo cual se interpretan como

disposiciones normales es decir, las que propone el fabricante si no se les proporcionaran datos

adicionales, respectivamente, (que no sean la tensión y el método de puesta a tierra del sistema). Al

mismo tiempo, esto representa la información mínima requerida, sin la cual un apartarrayos no puede

ser razonablemente configurado y seleccionado.

Sin embargo, debe de tomarse en cuenta que basado en la poca información, el apartarrayos

resultante sólo satisfará los requisitos mínimos del sistema.

Los valores característicos determinados sobre la base de tan pocos datos de entrada deberían

controlarse cuidadosamente, con el fin de que ninguno de los requisitos reales del sistema sea

pasado por alto.

Con referencia a la IEC 60099-4, cuanto más información y requisitos se especifiquen en este

anexo, mayor probabilidad habrá de que el apartarrayos resultante satisfaga todas las exigencias de

la aplicación en cuestión.

5.2 PRINCIPIOS DE SELECCIÓN.

La selección se hace con dos pasos principales:

Contrastando las características eléctricas de los descargadores con los requisitos eléctricos

de la red como se ilustra en la figura 23.

Contrastando las características mecánicas de los descargadores con los requisitos

mecánicos y medios ambientales de la red como lo indica la tabla 4.

La selección final se refleja en la designación de tipo del descargador.

Figura 23 Contraste de los parámetros del sistema y el apartarrayos [18].


- 47 -

Tabla 4 Parámetros considerados para seleccionar el apartarrayos [18].

5.3 CONTRASTE DE LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS.

Elección de la corriente nominal y clase de descarga.

La corriente nominal de descarga sirve para clasificar un apartarrayo de oxido metálico. La IEC

60099-4 especifica cinco valores diferentes que pertenecen a la gama de voltajes nominales ver la

siguiente tabla 5.

Tabla 5 Corriente nominal de descarga según el voltaje nominal [8].

1500 A 2500 A 5000 A 10000 A 20000 A

No definido Ur≤36 kV Ur≤132kV 3kV≤Ur≤360 kV 360kV≤Ur≤756k

V

Estos valores mostrados en la tabla 5, no revelan nada directamente con las características

operativas. La función real de esta clasificación es especificar las diferentes exigencias adicionales y

examinar los requisitos, dependiendo de su clase.

La corriente nominal de descarga representa una característica de diferenciación, cuando se realiza

un ensayo de funcionamiento la energía dentro de un apartarrayos se inyecta en forma de dos

impulsos de corriente de gran amplitud, después de haber sido previamente acondicionado con 20

impulsos atmosféricos de corriente.

La clase de descarga de línea es la característica definitoria real de un apartarrayos de alto voltaje.

En la actualidad ésta es la única forma de especificar la capacidad de absorción de energía de un

apartarrayo [8].

La definición de la clase de descarga de líneas se basa en la presunción de que una línea de

transmisión larga cargada con un cierta sobretensión durante una maniobra, descargará dentro de un

descargador conectado en la forma de un proceso de ondas progresivas.

Asumiendo que el diagrama del circuito de la línea es una red iterativa de elementos π, para una

duración dada por la longitud de la línea y la velocidad de propagación de una onda electromagnética.

Parámetros

Um Tensión máxima de red

Uc Tensión de trabajo continuo

Ur Tensión nominal

TOV Sobretensión temporal

T Factor de resistencia de sobretensión temporal

k Factor de pérdida a tierra

Ups Nivel de protección de impulso de funcionamiento

Upl Nivel de protección de impulso de descarga

Uws Nivel de resistencia de impulso de funcionamiento

Uwl Nivel de resistencia de impulso de descarga


- 48 -

La norma IEC 60099-4 define cinco diferentes clases de descargas de líneas tabla 6.

Tabla 6 Clases de descargas de líneas [8].

Clase de descarga

de líneas

Impedancia de

onda de la línea Z

Duración virtual de

la cresta T en US

Voltaje de carga

UL en kV (d.c)

1 4.9•Ur 2000 3.2•Ur

2 2.4•Ur 2000 3.2•Ur

3 1.3•Ur 2400 2.8•Ur

4 0.8•Ur 2800 2.6•Ur

5 0.5•Ur 3200 2.4•Ur

Donde:

US Tensión máxima de un sistema.

UL Voltaje de carga.

Ur Tensión nomial del apartarrayos.

La norma IEC 60099-4 da un diagrama adicional que representa la energía transformada dentro del

apartarrayos en ensayo referido a su tensión nominal que se produce durante una única descarga de

línea. Esta energía no es fija ya que depende del nivel de protección del apartarrayos, o más

precisamente del voltaje residual con impulso de maniobra. Cuando mayor es el voltaje residual,

menor energía absorberá el apartarrayos durante la descarga de la línea, dado que la línea se

descargará con menor intensidad figura 24.

Figura 24 Energia transformada dentro del apartarrayos referido a su tension nominal [8].

Si a los resistores se les asigna una cantidad de capacidad de absorción de energía térmica

específica, entonces dependiendo del voltaje residual, al apartarrayos pueden asignárseles diferentes

clases de descargas de líneas tabla 7.


- 49 -

Tabla 7 Clases de descargas de líneas [8].

Clase de descarga

de la líneas

Us (kV)

1 ≤245

2 ≤300

3 ≤420

4 ≤550

5 ≤800

Criterio de elección de la tensión de trabajo contínuo

Para que el apartarrayo pueda proteger de modo seguro, debe poder trabajar con absoluta

solvencia durante el servicio permanente. Así el primer paso es establecer un voltaje de operación

permanente Ucmín mínima requerida.

Ucmín mínima requerida = Tensión mínima de operación permanente de un apartarrayos.

Este debe ser tan elevado como el voltaje fase-tierra del sistema, con un adicional que en nuestro

país no debe superar el 5% de acuerdo a la calidad de servicio (por las armónicas que se puedan

presentar).

La tensión aplicada permanentemente significa un voltaje aplicado por un lapso ininterrumpido de

más de 30 minutos. Por este motivo, el método de puesta a tierra del neutro del sistema es decisivo

para determinar el voltaje permanente de operación.

En los sistemas con neutro aislado o de neutro a tierra resonante, el voltaje de una fase respecto de

tierra toma el valor del voltaje de línea en el caso de falla de una fase a tierra (factor de falla a tierra

K= 1.73).

Dado que es práctica común que los sistemas con neutro a tierra resonante se operen en esta

condición por períodos de tiempo mayores a los 30 minutos, el voltaje permanente de operación de

un apartarrayo debe tener el valor del voltaje máximo del sistema Us, solamente aquí no se tiene en

cuenta el cinco por ciento adicional.

En el caso de sistemas con neutro rígido a tierra, los sobretensiones temporales pueden alcanzar

valores de hasta 1.4 veces el máximo voltaje fase-tierra (factor de falla a tierra 1.4) por un lapso que

varía desde unas pocas décimas de segundo hasta varios segundos.

Sistema con neutro

rígido a tierra

Sistema con neutro aislado o

neutro a tierra resonante

Uc, min ≥ 1.05•Us/√3 Uc, min ≥ Us

Con la preselección del voltaje permanente de operación mínimo requerida, un factor que

usualmente tiene un valor de 1.25 colabora para alcanzar un voltaje nominal Ur1=1.05•Uc,min


- 50 -

Éste es un posible aunque no definitivo voltaje nominal de un apartarrayos.

Sistema con neutro

rígido a tierra

Sistema con neutro aislado o

neutro a tierra resonante

Ur1 ≥ 1.25 •1.05 • Us/√3 Ur1≥ 1.25 •Us

Margen de protección a impulsos tipo maniobra.

La característica de protección de un apartarrayo se evalúa más frecuentemente por medio de su

nivel de protección a impulso atmosférico. Esto significa que se la evalúa de acuerdo a su voltaje

residual mientras está circulando la corriente nominal de descarga.

Si la distancia entre el apartarrayo y el equipo a proteger no es demasiado grande, los apartarrayos

tienen una zona de protección de solamente unos pocos metros en un sistema de distribución y

aproximadamente sesenta metros en sistemas de alto y extra alto voltaje. Esto normalmente significa

que un nivel de protección igual al voltaje nominal resistente a un impulso atmosférico del equipo a

proteger, dividido por un factor de 1.4 es adecuado para proteger contra sobretensiones atmosféricos.

Sin embargo tenerse en cuenta que esta simplificación podría no ser adecuado para configuraciones

especiales de sistemas y casos de aplicación.

De esta manera, el procedimiento correcto y normalizado es determinar por cálculo de las

sobretensiones esperadas y fijar el nivel de protección necesario del apartarrayos por medio de

estudios de coordinación de aislamiento.

En los sistemas de extra alto voltaje el nivel de protección a impulso de maniobra normalmente es el

valor determinante de las características de protección de un apartarrayo.

En cada caso generalmente se lo menciona conforme a la norma IEC 60099-4 [8] para dos valores

diferentes de impulso con corriente de maniobra:

Tabla 8 Clases del descargador para impulso de maniobra [8].

Clase del descargador Impulso de corriente de maniobra (A)

20 kA, DL - clase 4 y 5 500 y 2000

10 kA, DL - clase 3 250 y 1000

10 kA, DL - clase 1 y 2 125 y 500

El voltaje residual a impulso de maniobra típicamente está entre el 75% y 90% del voltaje residual a

impulso atmosférico de corriente de 10 kA, dependiendo en cada caso del resistor de óxido metálico

en uso y del valor real del impulso de corriente de maniobra.

Si al controlar los niveles de protección de todas las solicitaciones a los impulsos de corriente

citados satisfacen los requisitos, entonces la elección de la característica eléctrica del apartarrayo

finaliza en este punto. Sin embargo si cualquiera de estos valores resultara muy alto para un tipo de

resistor de oxido metálico seleccionado, todos los valores de voltajes residuales, como así también el

voltaje de operación permanente y el nominal se ajustan a una relación fija.


- 51 -

5.4 CONTRASTE DE LAS CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS.

La columna de varistores debe tener un revestimiento adecuado para resistir los efectos a largo

plazo de la carga de la red y las cargas del medio ambiente.

Distancia de fuga externa.

IEC 60815 define las distancias mínimas de fuga para diferentes condiciones ambientales. Se

deberá de seleccionar el revestimiento necesario para la distancia de fuga deseada; el cual debe

corresponder al mismo que se usa para otros equipos en la misma ubicación se recomienda 31

mm/kV.

Los apartarrayos PEXLIM [11], que tienen un revestimiento altamente hidrófobo son más adecuados

que los apartarrayos EXLIM [11] para zonas extremadamente contaminadas, y en muchos casos es

justificado utilizar una fuga inferior.

Resistencia mecánica.

La máxima carga estática utilizable y la carga de soporte admisible (cantilever load) se indica en los

catálogos relevantes y se resume en la tabla 9.

Como sabemos los descargadores no conducen altas corrientes en forma continua, por lo tanto

deberán estar equipados con diferentes tipos de accesorios como: conductores, abrazaderas de poco

peso para reducir la carga estática.

En el caso de los apartarrayos PEXLIM, la suspensión adicional reduce aún más la carga terminal

estática; gracias a esto se pueden usar para tensiones altas sin sufrir problemas mecánicos.

En el caso de los apartarrayos cortos, los PEXLIM son casi exactamente igual a los EXLIM. Para los

apartarrayos largos, se puede utilizar los PEXLIM y para compensar la resistencia mecánica se utiliza

una instalación suspendida o por debajo, o con refuerzos especiales en la instalación vertical.

Tabla 9 Resistencia de cantiliver de apartarrayos ABB [11].

Tipo de

descargador

Resistencia de cantilever (Nm)

MPDSL PSSL DPSSL

EXLIM R-C 7 500 3 000 n.a.

EXLIM Q-D 18 000 7 200 n.a.

EXLIM Q-E 7 500 3 000 n.a.

EXLIM P-G 18 000 7 200 n.a.

EXLIM T-B 18 000 7 200 n.a.

PEXLIM R-Y 1 600 n.a. 1 000

PEXLIM Q-X 4 000 n.a. 2 500

PEXLIM P-X 4 000 n.a. 2 500

HS PEXLIM P 28 000 n.a. 19 000

HS PEXLIM T 28 000 n.a. 19 000


- 52 -

MPDSL Carga de servicio dinámica máxima admisible.

PSSL Carga de servicio estática admisible (para descargadores PEXLIM es un

valor declarado que se basa en la carga cíclica).

DPSSL Carga de servicio estática permisible declarada.

5.5 DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA SELECCIÓN DEL DESCARGADOR

Niveles de Protección del

Apartarrayos

UpI y Ups en

Coordinación de

Corrientes

Ver Tabla 3

Voltaje del Sistema

(Um)

Voltaje Nominal

(Ur0)

Ver Tabla 1

Voltaje Nominal

(Ur1,..,m=Utov1/

T1...Utovn/Tn)

[Curvas TOV]

Selección de Voltaje

Nominal

=máximo (Ur0,Ur1,...Um)

Clase de Descarga de

Línea y Tipo de

Apartarrayo

Ver Tabla 2

Sistema de Puesta

a Tierra

Valores de Resistencia

para Equipo Externo

(Uwl,Uws)

Otros TOV

(Amplitud y duración)

Calculo del Margen de

Protección

((Uwl/Upl)-1)x100

((Uws/Ups)-1)x100

Elegir la clase inmediata

superior

Duración de Falla

a Tierra

Línea/ Aparatos

de Energía

Márgenes aceptables

NO

Selección

completaSI

Figura 25 Traducción selección de apartarrayos [11].


- 53 -

CAPITULO 6 METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE

APARTARRAYOS EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN.

6.1 INTRODUCCIÓN.

Como ya se ha estudiado en la teoría se puede concluir que los fallos por rayo en las líneas de

transmisión se deben a 3 tipos de impacto del rayo en la línea de transmisión como se ilustra en la

figura 26.

Impacto del rayo directo en conductor.

Impacto del rayo al hilo de guarda.

Impacto del rayo inducido.

Figura 26 Diferentes impactos de rayo en las líneas de transmisión.

Para el planteamiento de la metodología se estudiaran solo los casos de mayores fallas en las

líneas que se han presentado a lo largo de ellas y por lo tanto únicamente se contemplaran el flameo

inverso figura 27 y flameo directo al conductor figura 28 en donde impacta al hilo de guarda o a la

estructura de la torre.

Figura 27 Flameo inverso de la línea de transmisión.

FLAMEO INVERSO

I0,tf I0,tf

IMPACTO DEL RAYO DIRECTO AL CONDUCTOR

IMPACTO DEL RAYO AL HILO DE GUARDA


- 54 -

Figura 28 Flameo directo de la línea de transmisión.

Para impacto al hilo guarda se estudiara principalmente el análisis de puntos potenciales dentro de

la red como son altas impedancias al pie de las torres por fallas en sistemas de tierras y alta

resistividad del terreno en términos geográficos ya que esto origina que la sobretensión exceda los

valores del NBI y afecte al aislamiento de la red.

Por otra parte para el impacto directo al conductor de fase se analizará principalmente el punto

potencial que ocasiona esta falla: el blindaje o apantallamiento de la línea de transmisión donde se

analizará la geometría de la línea dependiendo de la ubicación geográfica de la red, debido que el

impacto directo a conductores se origina por un mal empleo del hilo de guarda o es necesario

aumentar otro hilo de guarda si solo existe uno.

En la siguiente figura 29 se muestran los diferentes métodos empleados para disminuir la tasa de

cebados inversos y tasa de cebados directos en una línea de transmisión y también se ilustra el uso

de apartarrayos de línea.

Figura 29 Métodos para fallas por cebado de aisladores en la línea de transmisión debido a descargas atmosféricas.

RESIDEÑAR BLINDAJE

APARTARRAYOS DE LINEA

VERIFICAR COORDINACION DE

AISLAMIENTO

MEJORAR RESISTIVIDAD AL PIE DE TORRE

FALLA DE BLINDAJE

FLAMEO INVERSO


- 55 -

6.2 ANÁLISIS DE LOS FACTORES METEOROLÓGICOS DE LA LOCALIZACIÓN DE LA LÍNEA

DE 400 kV.

Dependiendo de la ubicación de la línea de protección a proteger se analizaran los factores

ambientales externos que afectan a la línea de transmisión, estos factores nos ayudaran a corregir los

valores estándares a valores corregidos por niveles de altitud, temperatura ambiente, porcentaje de

humedad en el aire y niveles de contaminación. Entre estos aspectos es importante mencionar los

niveles de descargas atmosféricas al año (Densidad de rayos a tierra) Ng Rayos / km2-año en la zona

donde se encuentra la línea en análisis, así como el análisis del terreno ya sea plano montañoso y su

naturaleza estructural de la que está compuesto.

Los factores atmosféricos se deben tomar en cuenta para realizar el análisis del NBI de la línea de

transmisión ya que por las condiciones atmosféricas modifican el valor de NBI y por lo tanto el VCF.

Lo anterior con el fin de verificar el NBI y U50 de diseño y si existen posibilidades de aumentarlo y

con ello también aumentar el aislamiento principalmente las cadenas de aisladores de la red.

Se dan las siguientes recomendaciones para optimizar el análisis de factores de corrección.

Cuando el porcentaje de agua (humedad) en el ambiente es mayor al 80% se deben realizar

correcciones de tensión por el factor de humedad.

Si el porcentaje de agua en el ambiente es menor al 80% se recomienda realizar correcciones

por temperatura y altitud.

Después de la consideración elegida se realizan las correcciones por nivel de contaminación.

Para el análisis de verificación del NBI se necesitan los siguientes datos que dependen de la

ubicación de la línea de transmisión en estudio.

1) H: %HUMEDAD PROMEDIO.

2) T: TEMPERATURA PROMEDIO.

3) A: ALTITUD EN MSNM.

4) NC: NIVEL DE CONTAMINACIÓN.

Con estos datos se determinaran los factores de corrección correspondientes para cada análisis

meteorológico.


- 56 -

6.3 ANÁLISIS DEL BLINDAJE CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LA LÍNEA DE

TRANSMISIÓN A PROTEGER.

El siguiente paso del método depende de la geometría y características de las torres de transmisión

así como del índice de rayos que incidan en la ubicación geográfica de la línea aérea que se tenga en

estudio. El análisis del blindaje de la línea es complejo ya que es probabilístico y estadístico. Para

ello es recomendable usar el SFFOR:

Ecuaciones de Love.

Ecuaciones de Young.

Ecuaciones de Cigre.

Ecuaciones de IEEE.

El blindaje de la línea de transmisión deberá cebar las descargas en forma óptima y para ello se

debe comprobar que el o los hilos de guarda protejan a los conductores dentro de los rangos de los

ángulos de blindaje esto tomando en cuenta que dependen de la posición que tenga el hilo de guarda

con respecto a los conductores. Mencionando también que una línea protegida con dos hilos de

guarda proporcionan un mejor blindaje.

Una vez comprobado el blindaje de la línea se tendrá que analizar el sistema de tierras ya que si

existe un buen blindaje de la línea y el sistema de tierras no drena gran parte de la descarga existen

reflexiones de esta y puede existir el flameo inverso.

De lo contrario se deben realizar las modificaciones necesarias del sistema de apantallamiento de la

línea, como pueden ser:

Recalcular ángulos de blindaje.

Aumentar la probabilidad de cebado colocando 2 hilos de guarda.

6.4 ANÁLISIS DEL SISTEMA DE TIERRAS DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN A PROTEGER.

El análisis del sistema de tierra se lleva a cabo con el fin de minimizar cualquier sobretensión

peligrosa cuando se dispersa la corriente de la descarga atmosférica, es por ello que los electrodos

de puesta a tierra son de gran importancia.

En general, se recomienda una resistencia de valor bajo, si es posible por debajo de los 10 Ohm,

esto dependerá de las interconexiones que existen entre los electrodos del sistema de tierras con la

resistividad del terreno bajo análisis.

Para la protección contra descarga atmosférica el electrodo más recomendable es el conductor

enterrado horizontalmente.

Una vez analizado el sistema de tierras se analizara la resistividad del terreno en donde está

instalada la línea de transmisión.


- 57 -

De lo contrario si el sistema de tierras no es óptimo para disipar la corriente de la descarga

atmosférica se tendrá que realizar las siguientes modificaciones:

Cambiar configuración de electrodos de puesta a tierra.

Comprobar la correcta interconexión del sistema de tierra a la superficie del terreno.

6.5 ANÁLISIS DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO EN CADA TORRE DE TRANSMISIÓN.

Dada la variedad de los elementos que forman parte de la composición química del terreno, este no

puede tratarse como una masa homogénea, pudiendo haber variaciones de su estructura con la

profundidad por lo que la inspección visual es un criterio escaso.

Es por ello que es recomendable realizar un muestreo de resistividad aparente del terreno a

distintas profundidades conforme a la longitud de los electrodos que conforman en el sistema de

tierras considerando que la profundidad de valoración es aproximadamente igual al 75% de la

distancia del electrodo.

La medición de la resistencia aparente se realiza a través del método Wenner.

El análisis de la conductividad de un terreno se lleva a cabo bajo la naturaleza que tiene el mismo y

los factores que lo llegan a modificar como son la humedad, la temperatura, y la salinidad. Esto se

puede comprobar en las resistividades del terreno según sea su naturaleza y si esta es de gran valor,

se puede modificar agregando sales pero es realmente inusable.

Una vez analizada la resistividad del terreno se realiza la modificación necesaria:

Instalación de contrantenas.

Modificación de la resistividad agregando sales o electrolitos periódicamente.

Si la resistividad del terreno es la suficiente para disipar la corriente de la descarga atmosférica se

analiza la ubicación del apartarrayos a partir de la simulación de la línea con sus parámetros reales

de impedancias de tierra y apantallamiento optimo.

6.6 ANÁLISIS DE PUNTOS POTENCIALES EN LA RED.

En este paso se estudiara a la red donde dependerá del tipo de cebado que se analice ya sea por

cebado directo o cebado inverso, pero los puntos potenciales generalizado que se presentan son los

siguientes.

Disposición de conductores con respecto a los hilos de guarda (fallas en blindaje).

Detección de alta impedancia al pie de torre (Análisis de tierras).

Detección de torres con suelo de alta resistividad (Análisis topográfico).


- 58 -

(1) INVESTIGACIÓN DE PARÁMETROS DE LÍNEA

(2) BLINDAJE

(3) PERFIL DE RESISTENCIAS

(4) SIMULACÓN Y UBICACIÓN

DE APARTARRAYOS

6.7 DIAGRAMA DE FLUJO DEL MÉTODO PARA LA APLICACIÓN DE APARTARRAYOS

El estudio teórico técnico de las sobretensiones originadas por descargas atmosféricas en sus

casos más representativos y así como las técnicas para limitar dichas sobretensiones fue

fundamental para la elaboración de la propuesta metodológica.

En seguida se muestra el método completo y seccionado para esquematizar y optimizar la

comprensión del mismo figura 30.

Figura 30 Propuesta metodológica para la ubicación de apartarrayos de líneas de 400kV.


- 59 -

En seguida se dará la descripción de la metodología propuesta y la explicación de cada punto del

método para su aplicación dividiendo el método en cuatro secciones para lograr una buena

comprensión del mismo.

ALGORITMO DE LA METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE APARTARRAYOS

(1) Primera sección del método: INVESTIGACIÓN DE PARAMETROS DE LINEA.

Figura 31 Primera sección del método.

En esta sección se analiza la problemática de la línea de transmisión, lo que conlleva a conocer su

ubicación geográfica, parámetros de la línea, así como corroborar la coordinación de aislamiento,

todo ello para descartar sobretensiones y pasar a estudiar otro tramo de la línea en estudio, y si

existen sobretensiones clasificarlas de acuerdo a su tipo de falla que puede ser flameo directo o

flameo inverso figura 31.

I. TITULO DEL MÉTODO

Análisis para la optimización en el uso de apartarrayos de línea de 400 kV así como su ubicación.

II. INVESTIGACIÓN DE DATOS CONDICIONES METEOROLÓGICOS Y PARÁMETROS DE LA

LÍNEA EN ESTUDIO.

Se selecciona el tramo de la línea que se estudiara para conocer sus parámetros eléctricos y de

protección contra sobretensiones tal como la geometría de la línea y su ubicación geográfica y las

condiciones meteorológicas tanto como ambientales a las que se enfrenta, referenciadas a los

niveles isoceráunicos de acuerdo a la ubicación de la misma.


- 60 -

III. REVISIÓN DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.

Se realiza la investigación de los parámetros de la línea en valores de diseño para corroborar que la

coordinación de aislamiento este en función a los parámetros analíticos a los que nominalmente se

somete a la línea, es por ello que se verifican que las cadenas de aisladores estén correctamente

calculados y que estén corregidos por los datos de condiciones meteorológicas, ambientales y

mecánicas siendo estos temperatura, humedad, altitud, y niveles de contaminación respectivamente.

Es por ello que también se le podría llamar “verificación de NBI Y U50 con valores de diseño.”

IV. ANÁLISIS DE ÍNDICE DE SALIDAS DE LA LÍNEA Y SUS CAUSAS.

En este punto se analiza si la línea en estudio en realidad tiene salidas por fallas causadas por

sobretensiones una vez que ya se verifico que la coordinación de aislamiento está en función a los

parámetros de la línea y si aun corrigiendo aisladores se presentan salidas se deberá realizar el

diagnostico adecuado para reconocer las causas principales, que pueden ser flámeos directos o

inversos por descargas atmosféricas y con esto comenzar a estudiar la segunda sección del método,

en el caso que se presenten ambas fallas se recomienda analizar primero la 2da sección del método

que es la de Blindaje de la línea de transmisión y después con el de la 3ra sección Resistividad de la

línea en estudio.

(2) Segunda sección del método: BLINDAJE.

Figura 32 Segunda sección del método.

En esta sección el objetivo principal es corroborar que el blindaje con hilos guarda sea eficiente para

la línea en estudio figura 32, una vez que ya se detecto que este es una de las causas de salidas

dentro de la línea en estudio y tomando en cuenta los datos y parámetros de la línea y su ubicación


- 61 -

geográfica por el nivel de corriente en las descargas atmosféricas a las que se somete a esto

referenciándonos al mapa isoceráunico y métodos para que en la siguiente sección del método se

estimen las tasas de cebados directos por longitud y por año.

I. DISPOSICIÓN DE CONDUCTORES CON RESPECTO A HILOS DE GUARDA.

Analizar la geometría de la línea es importante para esta parte del método ya que hay que verificar

que los hilos guarda estén blindando eficientemente los conductores de fase, y es por ello que es de

gran importancia conocer las distancias entre conductores e hilos guarda y alturas de ellos y claros

entre torres para así conocer el nivel de atracción de rayos del hilo guarda para que la descarga

atmosférica no viole la zona de blindaje.

II. ÁNGULO DE BLINDAJE MENOR A 25°.

Una vez analizando si los conductores están bien protegidos se corroborará y se ajustara el ángulo

de blindaje a los valores que recomienda la norma correspondiente, el cual debe estar por debajo de

25° para mantener seguridad en el blindaje de la línea. Si el ángulo de blindaje es mayor a este valor

se debe realizar un rediseño de la geometría de la línea en este tramo para limitar así las

sobretensiones por impacto directo y se drenen correctamente a tierra, si el ángulo es menor a 25° se

debe proceder a analizar la tasa de cebados directos punto V.

III. REDISEÑAR BLINDAJE MÉTODO BROWN WHITEHEAD.

Una vez que se detecto que el blindaje no es seguro porque el ángulo no es el adecuado para

mantener la seguridad de que los rayos no violen la zona protegida y estos a su vez impacte a los

conductores se debe rediseñar el blindaje para que la tasa de flámeos directos baje y a su vez las

sobretensiones que esta conllevan.

Existen varios métodos y ecuaciones para lograrlo pero la recomendamos por mayor fiabilidad es la

de Brown Whitehead y su aplicación de la ecuación es sencilla de realizar si se conoce bien la

geometría de la línea y sus parámetros característicos.

IV. INCREMENTAR A 2 LOS HILOS DE GUARDA.

Como se ha estudiado en las redes protegidas con hilos guarda es menos probable que un rayo

viole la zona protegida en sistemas que se protegen con dos hilos guarda a los que solo contienen

uno por la simple razón que la zona protegida incrementa en su área y se distribuye a lo largo de

ambos hilos guarda.

V. ANÁLISIS DE TASA DE CEBADOS DIRECTOS SSFOR.

Con el fin de corroborar que la modificación en el blindaje tuvo mejoras para limitar las

sobretensiones se calcula la tasa de cebados directos para con ello tomar decisiones de modificar la

geometría de la línea en estudio.


- 62 -

(3)Tercera sección del método: PERFIL DE RESISTENCIAS.

Figura 33 Tercera sección del método.

En esta sección se debe analizar el perfil de resistividad y resistencias al pie de la torre una vez que

ya se detecto que es una de las causas de salidas analizadas en el punto IV de la primera sección del

método y cabe destacar que se deber realizar un estudio de la parte de la línea en estudio de

medición de resistencia al pie de la torre para poder llevar a cabo el análisis en esta parte del método

ya que es la más compleja en cuanto a estudios de campo se refiere y extensa en cuanto al

procedimiento. Ver figura 33.

I. ANÁLISIS DE PERFIL DE RESISTENCIA Y RESISTIVIDAD AL PIE DE LA TORRE.

En esta parte se deben realizar estudios de campo para la detección de alta resistividad del suelo

así como detección de torres con alta impedancia a su pie y con ello aprovechar para la verificación

de que no existan puntos potenciales como son falsos contactos en interconexiones en el sistema de

tierras, con todo esto se podrán tomar decisiones para realizar mejoramientos y optimizar el sistema

de tierras para la atenuación de sobretensiones como se ha estudiado en capítulos anteriores.

Es importante mencionar que de existir mejora se analizará la tasa de índice de falla por año y si es

baja se descartara la posible aplicación de apartarrayos de línea.


- 63 -

II. EXISTE DETECCIÓN DE TORRES CON ALTA RESISTENCIA AL PIE.

Si existen detección de torres con alta resistencia al pie dentro del tramo de la línea en estudio se

tomara nota del número de torre y del valor de dicha resistencia para llevar a cabo ajustes y de no

poder ajustarse se tomaran en cuenta para el método en su punto V de la cuarta sección. De lo

contrario se deberá tomar en cuenta que de no existir alta impedancia al pie de la torre no se debe

colocar apartarrayos en esa zona ya que esta también depende de la resistividad del suelo al pie de

la misma y se puede concluir que si su resistencia es baja ya que no existe alta resistividad del

terreno.

III. EXISTE DETECCIÓN DE TORRES CON SUELO DE ALTA RESISTIVIDAD.

De la misma forma se tomaran datos de las torres detectadas ahora con alta resistividad y se

podrán analizar así si la alta impedancia al pie se debe a la alta resistividad del suelo donde se

encuentra ubicada la torre de transmisión, de lo contrario se debe descartar la posible aplicación de

apartarrayos en esa zona. Como nota referente a este punto del método se recomienda aplicar el

método WENNER para realizar mediciones de la resistividad aparente del terreno como se menciona

en la teoría de este capítulo.

IV. ANÁLISIS DEL SISTEMA DE TIERRAS E INTERCONEXIONES MENOR A 20 OHMS.

Una vez que se realizaron estudios de campo se corroboraran que las resistencias al pie de cada

torre sea menor a la recomendada para drenar sobretensiones generadas por descarga atmosféricas

y así disminuir fallas por flameo inverso y directo que estas puedan llegar a ocasionar.

V. MEJORAMIENTO DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO CON SALES MINERALES.

Al detectar las torres con alta resistividad del suelo se deben realizar a su vez estudios de la

naturaleza del suelo que dependerá de que composición química contenga y donde se encuentra

ubicada la torre, para que con ello se analice y se pueda fundamentar la aplicación de sales para

mejorar la resistividad del terreno, también con ello calcular el costo de la inversión y el

mantenimiento para mantener durante periodos prolongados aproximadamente la misma resistividad

del terreno, y a su vez se supervise periódicamente para determinar si necesita de ajustes o

implementación de algún otro método en mejora de resistividad.

Una vez mejorada la resistividad del suelo se debe realizar el análisis del perfil de resistencias e

interconexiones del punto IV de esta sección del método para descartar así la implementación de

apartarrayos de línea. Si no se puede lograr mejorar la resistividad por la naturaleza del suelo se

debe pasar al siguiente punto del método.

VII. ANÁLISIS DE TASA DE CEBADOS INVERSOS BFR.

Con o sin mejora de resistividad del suelo se analizara el índice de cebados inverso BFR para la

toma de decisiones en cuestión de que si con esto todavía se considera la aplicación de apartarrayos.


- 64 -

(4) Cuarta sección del método. SIMULACIÓN Y UBICACIÓN DE APARTARRAYOS.

Figura 34 Cuarta y última sección del método.

En esta última parte del método propuesto figura 34 se tomaran decisiones del uso de apartarrayos

de línea en consideración si los índices de flámeos directos o inversos son considerables para la

decisión de la utilidad o no utilidad de los mismos.

En el caso en que se usen se tomaran los datos de los análisis ya realizados para inyectar datos

para la simulación de la sección de la línea en estudio y así saber su correcta ubicación para limitar

sobretensiones generadas por descargas atmosféricas y también así disminuir los transitorios

causados por ellas dentro de la línea en estudio.

I. SSFOR CONSIDERABLE.

Se comprueba que la tasa de índice de salidas por año sea considerable para la sección de la línea

en estudio y se debe realizar en general para la línea completa, para así descartar la utilización de

apartarrayos y si no se descarta se debe pasar al punto de simulación de la sección de la línea en

estudio.


- 65 -

II. BFR CONSIDERABLE.

De la misma forma se comprueba para la sección en estudio y para la línea completa de la tasa de

índice de salidas por año por flameo inverso y se toman decisiones de la utilización o no utilización de

apartarrayos. Si no se descarta la utilización se debe pasar al punto de simulación de la sección de la

línea en estudio.

III. NO ES NECESARIO COLOCAR APARTARRAYOS.

Si se consideran bajos el o los índices las tasas de flámeos tal sea el caso estudiado directo o

inverso, o ambos para cuando se presenten ambos diagnósticos de salidas, no es necesario la

utilización de los apartarrayos y con ello no continuar con el método ya que resulto satisfactoria la

mejora de resistividad o el rediseño del blindaje.

IV. USO DE APARTARRAYOS DE LÍNEA.

En el caso que las tasas resulten altas se deberá continuar con el método, en la parte de la

simulación para la determinar la mejor ubicación del apartarrayo de línea que al final de esta será

instalado con fundamentos teórico prácticos.

V. SIMULACIÓN DE LA SECCIÓN DE LA LÍNEA EN ESTUDIO.

Con los datos obtenidos en el desarrollo del método como geometría de la línea, perfil de

resistencias, parámetros de la línea, aspectos meteorológicos, nivel isoceráunico y nivel básico de

aislamiento se procede a realizar el modelado de la línea de transmisión en estudio en el cual se

apoya de la interfaz esquemática que el software ATP nos proporciona ATP Draw para el análisis

completo de sobretensiones que genera una descarga atmosférica en impacto directo e inverso a lo

largo de la sección de la línea que se está estudiando, es por ello que es de gran importancia conocer

todos los aspectos que toma en cuenta el método propuesto para que al fin de este se fundamente

correctamente la utilización de los apartarrayos de línea así como su ubicación.

La simulación se debe realizar primero sin la aplicación de apartarrayos de línea y

consecuentemente con la aplicación del mismo, todo esto se realizará en base a la aplicación de las

secciones I, II, y III del método, esto es tomando en cuenta que la resistencia al pie de la torre no

puede cambiarse y ahí será donde se le dé más importancia a la implementación del mismo, en

cuanto al apantallamiento la descarga será modelada con corriente impactando al hilo guarda o a la

torre.

En general todos los componentes de la línea de transmisión se deben modelar de acuerdo a sus

parámetros físicos, como la geometría de la línea, las torres de transmisión modeladas con

impedancias en segmentos de acuerdo a la estructura de la misma.

El modelado de los apartarrayos se deberá realizar con un interruptor controlado por tensión que

este será la sobretensión y es ahí donde entrara la coordinación de aislamiento tanto cadenas de

aisladores como para los apartarrayos.


- 66 -

VI. UBICACIÓN DE APARTARRAYOS DE ACUERDO A RESULTADOS Y CONCLUSIONES.

En base a los resultados obtenidos con la simulación considerando la peor de las condiciones para

generar la sobretensión más alta se debe designar la ubicación del apartarrayo de línea para que con

ello se limite la peor de las sobretensiones generadas de acuerdo al método antes analizado,

tomando en cuenta que se debe referenciar las descargas atmosféricas a los niveles isoceráunicos

de la zona en la que se encuentra instalada la línea de transmisión en estudio.

VII. SELECCIÓN DE APARTARRAYOS DE LÍNEA POR SUS PARÁMETROS Y ENERGÍA A

DISIPAR

La selección se deberá realizar con las características de operación que los parámetros de la línea

determinaran y se deberá coordinar para su buena operación, realizando los ajustes necesarios para

que quede garantizada su operación independientemente de la ubicación geográfica y aspectos

meteorológicos o ambientales a los que se enfrente el dispositivo a instalar.

VII. INSTALACIÓN DE APARTARRAYOS.


- 67 -

CAPITULO 7 APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA

7.1 INTRODUCCIÓN.

La solución de procesos transitorios en un circuito eléctrico es una tarea difícil y más aun en los

sistemas de potencia, debido al número de equipos involucrados, la complejidad para modelarlos y

las interacciones que se presentan entre ellos, es casi imposible obtener su solución mediante el

cálculo manual. Debido a esto en la actualidad se utiliza la computadora para obtener soluciones

precisas de problemas complejos mediante la simulación con el software adecuado. El EMTP

(ElectroMagnetic Transients Program) es la herramienta más empleada en el cálculo de procesos

transitorios en redes eléctricas [1], se basa en el algoritmo desarrollado por Dommel que combina la

regla trapezoidal con el método de Bergeron para dar soluciones en el dominio del tiempo y la

frecuencia, una versión alternativa basada en el EMTP es el ATP (Alternative Transients Program).

7.2 DIRECTRICES DE REPRESENTACIÓN.

La simulación de cualquier proceso transitorio en un sistema eléctrico debe realizarse teniendo en

cuenta la frecuencia de los procesos transitorios tabla 10 que se van a originar esta frecuencia

determinara la representación más adecuada para cada elemento, la parte del sistema que se debe

incluir en el modelo y el paso de integración utilizado para la simulación en el ATP [2002N1-RAYOS].

Se debe considerar que entre más grande sea la frecuencia del fenómeno a estudiar, los elementos

de la red se deben de representar con mayor detalle. Las sobretensiones provocadas por rayos son

transitorios de frente rápido por lo que entran en el grupo III según la tabla de representación de

componentes propuesta por el grupo de trabajo 33-02 CIGRE (International Council on Large Electric

Systems)[2]. Los componentes de una red de potencia para los cuales se incluye el modelo de

representación son: líneas aéreas, subestaciones, transformadores, generadores síncronos,

apartarrayos, interruptores y seccionadores.

Tabla 10 Clasificación de la gama de frecuencias [2].

GRUP

O

GAMA DE

FRECUENCIAS DESIGNACION

REPRESENTACION

PRINCIPALMENTE PARA

I 0.1 Hz - 3 kHz Oscilaciones de baja

frecuencia Sobretensiones temporales

II 50 Hz - 20 kHz Ondas de frente lento Sobretensiones por maniobra

III 10 kHz - 3 MHz Ondas de frente rápido Sobretensiones por rayos

IV 100 kHz - 50 MHz Ondas de frente muy rápido Sobretensiones por recebado

en GIS

Basados en esta clasificación y las directrices de representación propuestas, se determinara cual es

el modelo más apropiado para representar cada componente de la línea de transmisión.


- 68 -

7.3 DESCRIPCIÓN DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN.

Para la realización de este estudio se utilizaron los datos obtenidos de la línea de transmisión de la

CFE Las Mesas-Querétaro que tiene una tensión de operación nominal de 400 kV con dos circuitos

en disposición vertical y una longitud total de 193km.

Características de la línea de transmisión:

Nivel de tensión: 400 kV.

Nivel Básico de Aislamiento al impulso (NBAI): 1050 kV.

Número de circuitos: 2.

Calibre del conductor de fase: 1113 KCM.

Calibre de hilo conductor: 3/4 pulgada de acero.

Conductores por fase: 3.

Tipo del conductor de fase: ACSR.

Resistividad del terreno: variable.

Frecuencia: 60 Hz.

Sistema trifásico.

Ng=9 rayos/km2

7.4 REPRESENTACIÓN DE LA LÍNEA EN ATP.

El modelo de la línea de trasmisión de 400 kV se implementara en el programa para transitorios

ATP, se simularan los casos en los que el rayo impacta sobre el hilo de guarda y sobre los

conductores de fase por fallo de apantallamiento, obteniendo la magnitud y forma de onda de las

sobretensiones presentadas en las cadenas de aisladores determinando si se presenta el flameo de

los mismos ya sea directo o inverso y por consiguiente la salida de operación de la línea. También se

determinara que parámetros tienen mayor influencia en el valor máximo de las sobretensiones

presentadas y por último se evaluara en qué puntos de la línea es conveniente la aplicación de

apartarrayos de línea de óxidos metálicos para limitar estas sobretensiones de acuerdo a las

características particulares de la línea, fundamentalmente resistencia de puesta a tierra de la torre.

Para la implementación del modelo de la línea de transmisión de 400 kV para el cálculo numérico de

sobretensiones son necesarios 3 pasos fundamentales [2].

1) Seleccionar la zona del sistema que ha de ser representada.

2) Escoger la representación más adecuada para cada componente incluido en el modelo de la

zona de estudio.

3) Determinar los parámetros a especificar en el modelo de cada componente.

Zona representada.

Para seleccionar la parte de la línea a ser representada en el análisis de descargas atmosféricas se

deben de incluir dos o tres claros alrededor del punto de impacto del rayo, en nuestro modelo debido


- 69 -

a la implementación de apartarrayos y con objeto de estudiar la propagación de ondas de

sobretensión en varias torres se incluyeron ocho tramos de la línea. La figura 35 muestra el tramo de

línea representada y la longitud del claro entre cada torre.

CLARO DE

500 m

CLARO DE

537 m

CLARO DE

923 m

CLARO DE

832 m

CLARO DE

1.125 Km

CLARO DE

390 m

CLARO DE

208 mCLARO DE

500 m

RAYO

Figura 35 Parte de la línea de transmisión representada Las Mesas Querétaro 400 kV.

Un modelo de línea aérea de transmisión adecuado para la simulación de sobretensiones originadas

por el rayo debe incluir varias partes de la línea: conductores de fase y cables de guarda, torres,

puestas a tierra, cadenas de aisladores, apartarrayos, equivalente de red (RLC) distancias en el aire.

A continuación se describe cada elemento y su representación en el ATP.

Línea de transmisión.

Una línea de transmisión tiene cuatro parámetros que afectan su capacidad para cumplir su función

como parte de un sistema de potencia: resistencia, inductancia, capacitancia y conductancia [2]. La

línea se puede representar mediante un modelo π de parámetros concentrados o distribuidos

dependiendo de su longitud. Para líneas de transmisión de longitud mayor de 250 km estos

parámetros deben de distribuirse uniformemente a lo largo de su longitud, donde sus parámetros (G,

R, L, C) quedan en función de la distancia, los valores de tensión y corriente varían con la longitud de

la línea desde un punto emisor hasta un punto receptor como se muestra en la figura 36.

Figura 36 Diagrama esquemático de una línea larga.

Para el estudio de transitorios en líneas de transmisión son de mayor importancia la impedancia

característica de la línea Z0 (impedancia de sobrevoltajes) y la constante de propagación de la línea

cuyas expresiones son las siguientes:

)cjg(

)ljr(

y

zZ

0 )cjg)(ljr(yz


- 70 -

Donde:

z Impedancia en serie/unidad de longitud/fase.

g Admitancia en derivación/unidad de longitud/fase a neutro.

r Resistencia/unidad de longitud/fase.

l Inductancia/unidad de longitud/fase.

c Capacitancia/unidad de longitud/fase a neutro.

ω Velocidad angular=2πf=377rad/s.

Estas ecuaciones muestra la dependencia de la impedancia característica y constante de

propagación a la frecuencia, esto debe ser considerado para la elección del modelo de la línea

utilizado en la simulación.

Para representar los claros de la línea de transmisión en el ATP se utiliza la subrutina LCC (LINE

CONSTANTS) que permite elegir un modelo de línea y automáticamente calcula sus parámetros a

partir de su geometría y de las propiedades de los conductores e hilos de guarda que la forman, tiene

la ventaja de permitir diferenciar si el rayo incide en un conductor de fase o en un hilo de guarda. En

este trabajo se utilizo el modelo JMarti de la línea que es un modelo riguroso que emplea parámetros

distribuidos y dependientes de la frecuencia, los parámetros son calculados a partir de los datos de la

línea Las Mesas-Querétaro.

Para obtener el modelo de la línea mediante la subrutina LCC es necesario establecer el arreglo

geométrico de los conductores de fase y los hilos de guarda, por lo que se requiere proporcionar la

siguiente información:

Coordenadas (X, Y) de cada grupo de conductores conductor e hilo de guarda en la torre.

Altura de los conductores e hilos de guarda a la mitad del claro.

Separación entre conductores de un grupo.

Orientación del grupo de conductores.

Dimensiones de los conductores e hilos de guarda (radio interno y radio externo).

La línea de transmisión de 400 kV es de doble circuito por lo que fue necesario establecer las

coordenadas de 6 grupos de conductores, a su vez cada grupo está formado por 3 conductores en

arreglo delta y el apantallamiento está formado por dos hilos de guarda con un ángulo de 40º con el

conductor de la fase superior. La figura 37 muestra el arreglo geométrico de los conductores e hilos

de guarda.

Los conductores utilizados para transmitir energía en líneas aéreas generalmente son ACSR que

están compuestos por un grupo de hilos de acero que forman el núcleo central alrededor del cual hay

varias capas de hilos de aluminio, se devanan en forma espiral para presentar mayor resistencia

mecánica. Los calibres de conductores utilizados por CFE para líneas de nivel de 400 kV son 1113

kCM. Los datos de los conductores y cables de tierra se muestran en la siguiente tabla 11.


- 71 -

Tabla 10 Características de conductores de fase e hilos de guarda [2].

TIPO RADIO

EXTERIOR(cm)

RESISTECIA DC

(Ω/Km)

CONDUCTORES DE

FASE

1113kCM ACSR

BLUEJAY 1.599 0.05269

HILO DE GUARDA 7N8 0.489 1.463

20.84m

10.01m

45cm

45cm

45cm

54.82m

46.00m

63.64m

69.82m

CIRCUITO 1 CIRCUITO 2

HILOS DE GUARDA

Figura 37 Configuración geométrica de la línea de transmisión de doble circuito de 400 kV.


- 72 -

Esta distribución fue obtenida a partir del diagrama de la torre de transmisión de 400 kV de la figura

38.

69

.82

46.0

36.7

20.84

9.045

8.8

2

23

.82

31.7

02.4

2.75

6.7

2

26

.70

25.0

0

3.7

8

21.7

0

16.7

0

9.045

2.1

16.0

1.5

1.5

11.0

4.1

5

7.26

17.27

4.4

5

2.6

10.01

NIVEL +15

NIVEL +10

NIVEL +0+0

NIVEL +0

NIVEL +5

NIVEL -5

1.5

1.5

NIVEL +15+0

1.5

0.3

3.5

0.7

24.0

3.25

8.8

2

1

Ext. -2

Ext. -1

Ext. +0

Ext. +1

Ext. +2

Ext. +3

Ext. +4

Ext. +5

Ext. +6

3.2

5

40°

5.13

4

0.3

75

4.12

5

0.45

90°

45 cm

45

cm

45

cm

45 cm

45 cm

45

cm

45

cm

Figura 38 Torre tipo 4EA2 400KV TRIBASA [4].


- 73 -

Torre de transmisión.

Se han desarrollado varios modelos para la representación de torres empleando un enfoque teórico

o un trabajo experimental [13]. Estos modelos se pueden clasificar en tres grupos:

Modelo de línea monofásica sin pérdidas:

La torre puede ser representada como una sola línea de transmisión monofásica con una

impedancia de impulso y una velocidad de propagación de ondas igual a la de la luz 300000 km/s

[14]. La impedancia característica de la torre depende de la geometría de la misma (altura, diámetro,

siluetas) y se ha calculado en forma experimental usando modelos a escala, de manera que a partir

de esto se obtienen expresiones empíricas. De acuerdo a las siluetas de las estructuras se tienen dos

modelos básicos para determinar la impedancia característica de las torres [1]:

Impedancia característica de una torre con silueta cónica figura 39.

Impedancia característica de una torre con silueta cilíndrica figura 40.

Valores típicos de impedancia característica de una torre de transmisión están entre 100 y 300

Ohms.

2

2

1230r

hlnzT

Figura 39 Impedancia característica de una torre con silueta cónica [1].

1

22ln60

r

hzT

Figura 40 Impedancia característica de una torre con silueta cilíndrica [1].

r

h

h

D

r

h


- 74 -

Donde:

h Altura de la torre

r Radio de la base de torre en metros.

ZT Impedancia característica de la torre.

Modelo de línea multiconductor:

La torre se divide por segmentos entre las crucetas, cada segmento se representa por medio de un

multiconductor que se reduce a un conductor simple. El modelo de la torre es entonces una línea

monofásica, cuya sección aumenta de arriba abajo como se muestra en la figura 41a. El modelo

mostrado en la figura 41b incluye el efecto de abrazamiento (representados como líneas sin pérdidas

en paralelo a las piernas principales) y crucetas (representado como línea sin pérdidas ramificadas en

los puntos de unión) [13].

a) b)

Figura 41 Línea vertical multiconductor [19].

Calculo de la impedancia característica de la torre.

Para la determinación del valor de la impedancia característica de la torre de la figura se utiliza la

expresión para una torre de silueta cilíndrica, el radio de la torre es de 8 metros y su altura de 69.82

metros. Se obtiene un valor de impedancia características de 151.17Ω.

17.151

8

82.6912ln30 12ln30

2

2

2

2

r

hzT

Para la representación de las torres se utiliza el modelo multiconductor que nos permite diferenciar

la ubicación de las cadenas de aisladores en la torre por lo cual es necesario dividir la torre en 3

tramos la parte inferior, central y superior de la torre, además son necesarios otros dos tramos para

separar los hilos de guarda de la estructura principal, cada tramo de la torre entre crucetas y los


- 75 -

cuernos de la torre se representan mediante una línea ideal monofásica de parámetros distribuidos y

con una velocidad de propagación de ondas igual a la de la luz (300000 km/s), el valor de impedancia

característica de cada tramo se supone igual al de la línea que representa la torre. En la parte inferior

de la torre se conecta la resistencia de puesta a tierra. La siguiente figura 42 se muestra el esquema

de impedancias para la representación de la torre.

ZT

ZT

ZT

ZT ZT

h=69.82m

r=8m

Figura 42 Modelo vertical multiconductor de la torre autosoportada 4EA2 400 kV TRIBASA.

Resistencia de puesta a tierra.

El valor de la resistencia de puesta a tierra del SCT (Sistema de Conexión a Tierra) de la torre tiene

gran influencia en el máximo valor de la sobretensión en la torre cuando el rayo incide en un hilo de

guarda, si el valor de resistencia de puesta a tierra es elevado se tendrán múltiples reflexiones de

ondas en la estructura que generaran sobretensiones, lo que puede producir el flameo inverso de los

aisladores y la salida de operación de la línea. Por otro lado cuando el rayo impacta a un conductor

de fase la resistencia de puesta a tierra no tiene gran importancia debido a que la onda de

sobretensión se conduce por el conductor directamente hacia las cadenas de aisladores. La puesta a

tierra en la torre puede ser representada mediante una resistencia RT cuyo valor varía de acuerdo con

la magnitud de la corriente de descarga de acuerdo a la siguiente expresión.

Ig

I

RRT

1

0

2

0

0

2

1

R

EIg


- 76 -

Donde:

R0 Resistencia medida a baja corriente y baja frecuencia, en ohms.

I Intensidad de corriente a través de la resistencia

Ig Corriente limitante para inicializar una ionización suficiente del suelo y está dada por:

ρ Resistividad del terreno, en ohm-m

E0 Gradiente de ionización del suelo (entre 300 y 400 kV/m)

Para este estudio la resistencia de puesta a tierra no es un modelo riguroso, se representará como

una resistencia lineal constante conectada en la parte inferior de la torre, su valor se variara para

estudiar su efecto en el valor máximo de las sobretensiones y en la propagación de estas en

diferentes torres.

Descarga atmosférica.

Un rayo se comporta como una fuente de corriente ideal que tiene conectada una resistencia infinita

en paralelo, se caracteriza por forma de onda de alto valor (kA) y de corta duración (µs), para

representar la descarga atmosférica en la simulación se utilizara el modelo de la fuente Heidler type

15 debido a que es la fuente que se mas se aproxima a la forma de onda propuesta por la norma IEC-

60071-1 que se representa en la siguiente figura 43:

TIEMPO(µs)

%Idescarga

t1t2

50

100

0

Figura 43 Onda de corriente doble exponencial 8/20µs utilizada en la simulación [6].

Esta onda de polaridad positiva tiene un tiempo de frente (t1) de 8µs donde alcanza su máximo valor

y un tiempo de cola (t2) de 20 µs donde se reduce al 50% de su valor máximo. Los valores de

amplitud de la corriente máxima de descarga se variaran desde 5 kA hasta 100 kA.


- 77 -

Cadena de aisladores.

Las cadenas de aisladores evitan la conexión eléctrica entre los conductores de fase y la estructura

o torre, por lo cual para representarlos en la simulación de utiliza un interruptor abierto controlado por

tensión, su operación es la siguiente:

Cuando se presenta una diferencia de potencial entre la cruceta de la torre y los conductores de

fase entre los cuales se encuentra el aislador, que exceda el valor especificado de tensión de flameo

del interruptor este se cerrara, lo que significa que se ha presentado el flameo del mismo y por lo

tanto la salida de operación la línea.

Es importante señalar que en las terminales de estos interruptores se obtendrá la forma de onda y

se medirá el nivel máximo de sobretensiones provocadas por el rayo, con estos valores se elaboran

las tablas necesarias para la evaluación de resultados.

La tensión de flameo del interruptor en la simulación corresponde al nivel de aislamiento al impulso

por rayo (NBI) o tensión de aguante para aisladores de líneas de 400 kV que es de 1050 kV en zonas

de baja contaminación.

Apartarrayos.

Un apartarrayos como se ha analizado anteriormente son dispositivos construidos por bloques de

resistencias no lineales cuyo valor depende de la tensión por lo que se le conoce como varistor, este

dispositivo reduce la sobretensión que aparece en sus terminales al valor de tensión residual para el

cual es especificado, de esta manera protege a los aisladores de la línea. El modelo escogido para

representar los apartarrayos de óxido metálico es el varistor MOV type 92. La tensión nominal

seleccionada para los apartarrayos es 312 kV clase 3 400kV y la tensión residual es de 613.316 kV.

Equivalente de red (rlc).

En cada extremo de la línea de transmisión se conecto un equivalente de red resistivo que

representa la parte del sistema que no se necesita estudiar pero cuyo efecto no se puede despreciar

ya que tiene bastante influencia en la reflexión de ondas en el extremo de la línea, Se utilizo el

componente RLC serie formado únicamente por resistencias de valor de 300 Ohms por fase. Y se

obtuvo el equivalente con una corrida de flujos en PSS (Power System Simulator). Con la base de

datos del Sistema Eléctrico Nacional.

Nivel de tensión de la línea.

El nivel de tensión los conductores deben incluirse en la simulación para esto se utiliza dos fuentes

trifásicas conectadas en cada extremo de la línea. La tensión de fase a neutro pico que se introduce

en el modelo de la fuente se calcula con el valor de tensión de operación que para 400 kV RMS línea

a línea.


- 78 -

kVkVV

V LLFN 59.326

3

4002

3

2

El ángulo de fase de la tensión de referencia es importante para la simulación ya que dependiendo

de este ángulo se le puede sumar o restar la tensión de fase a la sobretensión, se considera la

situación más desfavorable, en este caso la onda de tensión presenta un valor negativo máximo a los

180º debido a que el ATP utiliza la función cosenoidal para representar las tensiones.

7.5 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DEL MODELO.

Una vez que se ha determinado el modelo para la representación adecuada de cada elemento del

sistema de potencia involucrado en las sobretensiones provocadas por descargas atmosféricas es

necesario construir el diagrama del sistema que va a ser simulado. La figura 44a y 44b siguiente

muestra el diagrama esquemático del la línea de transmisión y la representación de cada elemento en

el ATP.

Equivalente

de red(RLC)

4 Claros

(Línea con

parámetros

distribuidos)

4 Claros

(Línea con

parámetros

distribuidos)

Z Z

Z

ZZ

MOV

Descarga

Atmosférica

(Fuente de

corriente ideal)

Nivel de tensión de

la línea

(Fuente Alterna

Trifasica)

Apartarrayos de

óxidos metálicos

(MOV tipo 92)

Aisladores

(Interruptores

controlados por

tensión)


la línea

(Fuente Alterna

Trifasica)

Torre

(Arreglo de líneas

monofasicas ideales)

Resistencia de

puesta a tierra de

torre

(Resistencia lineal)

Conductores de

Fase Circuito 1

Hilo de guarda

Equivalente

de red(RLC)

a) Impacto en la torre o hilo de guarda.


- 79 -

Equivalente

de red(RLC)

4 Claros

(Línea con

parámetros

distribuidos)

4 Claros

(Línea con

parámetros

distribuidos)

Z Z

Z

ZZ

MOV

Descarga

Atmosférica

(Fuente de

corriente ideal)


la línea

(Fuente Alterna

Trifasica)

Apartarrayos de

óxidos metálicos

(MOV tipo 92)

Aisladores

(Interruptores

controlados por

tensión)


la línea

(Fuente Alterna

Trifasica)

Torre

(Arreglo de líneas

monofásicas ideales)

Resistencia de

puesta a tierra de

torre

(Resistencia lineal )

Conductores de

Fase Circuito 1

Hilo de guarda

ZZ

Equivalente

de red(RLC)

b) Impacto en un conductor de fase.

Figura 44 Representación de los elementos de la línea para la simulación en ATP Draw.

El diagrama de la figura 45 el modelo implementado en ATP Draw es el siguiente, solo se observan

cuatro claros de la línea y tres torres incluyendo donde impacta el rayo, el modelo completo consta de

7 torres y ocho claros de línea además de incluir el nivel de tensión de 400kV representado por dos

fuentes trifásicas conectadas en los extremos de la linea y el equivalente de red RLC serie.

Figura 45 Modelo implementado en ATP Draw.


- 80 -

7.6 SIMULACIÓN Y RESULTADOS.

La instalación de apartarrayos en líneas de transmisión tiene como objetivo mejorar su protección

contra los efectos de las descargas atmosféricas. Las líneas de 400 kV existentes se encuentran

generalmente apantalladas por dos hilos de guarda pero si el diseño del apantallamiento no es el

adecuado se presentan flámeos directos por fallo de apantallamiento o por otro lado si se tiene un

buen apantallamiento pero la resistencia de puesta a tierra es muy elevada en varias torres de línea

se presentan flámeos inversos por reflexión de ondas en las torres. Por lo tanto es necesario

considerar ambos casos en la simulación para determinar en qué puntos es necesaria la instalación

de los apartarrayos.

a) Caso 1 impacto en el hilo de guarda.

A continuación se muestran los resultados obtenidos de la simulación cuando el rayo impacta en un

hilo de guarda. Para este caso se aplicaron diferentes valores de amplitud de la descarga con mayor

probabilidad de ocurrencia comenzando con 5 kA, 10 kA, 20 kA y 26 kA, la forma de onda de la

descarga es la normalizada de acuerdo a IEC 60071-1 (8/20µs) [6]. Los valores de resistencia al pie

de las torre se variaran para analizar su efecto en la máximo sobretensión presentada en la torre y en

la propagación de ondas hacia las demás torres.

El tiempo utilizado para la simulación es de 300 µs para poder observar la atenuación de las

sobretensiones, el paso de integración (∆t) es de 1x10-8.

Operación de la línea sin la instalación de apartarrayos.

En la figura 46 se aprecia el estado estable los aisladores presentan la tensión de los conductores

de fase que es equivalente a la tensión monofásica de la línea figura 47.

Figura 46 Tensión presente en una cadena de aisladores en estado estable.

Torre 4 Fase A circuito 1 Fase A Vpico=326.598 kV VRMS=230.939 kV Angulo de fase=180


- 81 -

Figura 47 Secuencia de fases de la línea Fase A rojo, Fase B verde, Fase C azul.

El rayo se aplica mediante una fuente de corriente para todas las simulaciones tiene la forma de

onda 8/20µs según IEC 6007-1 [6], la amplitud se varía desde 5 kA hasta 100 kA. Para todos los

casos el rayo impacta en el hilo de guarda de la torre 4 figura 48.

Figura 48 Rayo aplicado, amplitud de 10 kA, forma de onda 8/20µs.

En la figura 49 existe una corriente de rayo de 10kA al impactar uno de los hilos de guarda genera

una sobretensión de impulso de 533 kV. Se observa que el tiempo de frente es de aproximadamente

6µs menor que el de la onda de corriente de rayo 8µs, y la onda se amortigua rápidamente

alcanzando valores negativos.


- 82 -

Figura 49 Sobretensión generada en el hilo de guarda sin considerar la tensión de la línea.

La máxima sobretensión se tiene en la fase que pasa por su máximo negativo por eso se utiliza el

ángulo de fase de 180° de la fase A. Los disturbios en las otras 2 fases dependiendo de la magnitud

de la descarga se podrían considerar que no son sobretensiones por qué no exceden la máxima

tensión de operación de fase a neutro. Debido a esto solo se consideraran las sobretensiones


- 83 -

presentes en las cadenas de aisladores de la fase A del circuito 1 de cada torre figura 50. Las

sobretensiones presentes en las cadenas de aisladores del circuito 2 son similares figura 51.

Figura 50 Sobretensiones generadas en las cadenas de aisladores de las tres fases del circuito 1.

Figura 51 Sobretensiones generadas en las cadenas de aisladores de las tres fases del circuito 2.


- 84 -

La forma de onda de la sobretensión en las cadenas de aisladores se obtuvo con un tiempo de

simulación de 300µs para observar como se estabiliza la tensión de la fase en caso de que no se

supere el NBI de las cadenas de aisladores (1050 kV) como se muestra en la figura 52 siguiente:

Figura 52 Forma de onda en las cadenas de aisladores cuando no se supera el NBI.

En caso de superarse el NBI de la cadenas de aisladores que para líneas de nivel de 400 kV es de

1425 kV, el interruptor controlado por tensión se cerrara y se perderá la continuidad en esa fase por lo

tanto la línea saldrá de operación figura 53.

Figura 53 Forma de onda en las cadenas de aisladores cuando se supera el NBI.

Para la primera simulación se consideraron los valores de resistencia al pie de la torre de los datos

obtenidos de la línea de transmisión Las Mesas-Querétaro.


- 85 -

Tabla 12 Sobretensiones en las cadenas de aisladores fase A circuito para diferentes valores de corriente

de descarga considerando que los aisladores no se flamean.

SOBRETENSIONES CADENA DE AILADORES FASE A CIRCUITO 1

(kV)

No Torre I

Rayo(kA)

1

R=23.16

2

R=80.87

3

R=56.37

4

R=77.34

5

R=50.79

6

R=40.36

7

R=19.22

0 326 326 326 326 326 326 326

5 338 348 383 520 368 340 336

10 349 371 439 713 409 353 346

20 372 415 552 1100 491 380 366

30 394 459 665 1486 574 407 386

40 417 503 778 1873 656 434 406

50 440 447 891 2259 739 460 426

75 496 658 1173 3226 945 528 476

100 553 769 1456 4192 1151 595 527

Figura 54 Superficie que relaciona la tensión máxima en las cadenas de aisladores

de las 7 torres en función de la corriente de descarga.

Se observa que a partir de corrientes de rayo aproximadamente 30 kA se supera el NBI y se

produciría el flameo de los aisladores y por lo tanto la salida de la línea ver tabla 12. Sin embargo

para el análisis anterior se considero en la simulación que los aisladores son interruptores que

permanecen siempre abiertos por lo que nunca se dará la perdida de continuidad, esto es para poder


- 86 -

determinar el nivel máximo de la sobretensión que se puede presentar incluso con rayos de 100kA

que tienen muy poca probabilidad de ocurrencia figura 54.

Considerando lo que se sucede en la realidad los aisladores se flamearan al superar el NBI por lo

que en la fase superior de la torre donde impacta el rayo se dará la perdida de la continuidad que es

suficiente para que la línea salga de operación pero además se generan sobretensiones mayores en

las cadenas de aisladores de las otras 2 fases de todas las torres que dependiendo de su magnitud

también pueden producir el flameo. Se observa que rayos de magnitudes superiores de 20kA sin la

instalación de apartarrayos provocarían la salida de la línea y fallas de aislamiento en varias torres

tabla 13.

Tabla 13 Valores de sobretensiones en las cadenas de aisladores fase A circuito para diferentes valores

de corriente de descarga considerando que los aisladores se flamean.


(kV)

No Torre I

Rayo(kA)

1

R=23.16

2

R=80.87

3

R=56.37

4

R=77.34

5

R=50.79

6

R=40.36

7

R=19.22

0 326 326 326 326 326 326 326

5 338 348 383 520 368 340 336

10 349 371 439 713 409 353 346

20 467 516 577 1050 491 405 393

30 872 834 686 1050 794 717 706

40 1050 1050 1050 1050 932 931 911

50 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050

75 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050

100 1050 1050 1050 1050 1050 1050 1050


- 87 -

Efecto de la resistencia de puesta a tierra

A continuación se analiza el efecto de la resistencia de puesta a tierra de las torres, se variara la

resistencia de la torre donde impacta el rayo desde un valor óptimo (10Ω) hasta un valor de 200Ω

valor deficiente tabla 14.

Tabla 14 Valores de sobretensiones en las cadenas de aisladores fase A circuito para un valor óptimo de resistencia de puesta a tierra (10Ω).

SOBRETENSIONES (kV)

No

Torre I Rayo(kA)

1

R=50

2

R=50

3

R=50

4

R=10

5

R=50

6

R=50

7

R=50

0 326 326 326 326 326 326 326

5 331 332 339 369 338 332 332

10 337 338 351 411 350 338 337

20 347 350 376 496 375 350 348

30 358 362 401 580 399 361 359

40 368 374 426 665 423 373 370

50 379 386 451 750 447 385 381

75 405 416 514 962 507 414 408

100 431 446 577 1174 568 443 435

Con un valor optimo de resistencia de puesta a tierra 10Ω es muy difícil que se supere el NBI, en

este caso se necesita un rayo de 100kA que tienen probabilidad de ocurrencia menor al 2% para

producir el flameo de la cadena de aisladores de a fase A, esto demuestra que si es posible mejorar

la resistencia de puesta a tierra de las torres no es necesaria la instalación de apartarrayos figura 55.

Figura 55 Superficie que relaciona la tensión máxima en las cadenas

de aisladores de las 7 torres con resistencia de puesta a tierra (10Ω).


- 88 -

Tabla 15 Valores de sobretensiones en las cadenas de aisladores fase A circuito para diferentes valores

de corriente de descarga. Resistencia de puesta a tierra valor usual (20Ω).

SOBRETENSIONES (kV)

No Torre I

Rayo(kA)

1

R=50

2

R=50

3

R=50

4

R=20

5

R=50

6

R=50

7

R=50

0 326 326 326 326 326 326 326

5 330 335 346 394 343 336 331

10 343 345 367 462 359 344 342

20 359 363 407 598 392 362 361

30 376 381 447 733 425 380 378

40 393 400 488 869 457 398 395

50 409 418 528 1053 490 415 413

75 451 464 629 1344 572 460 456

100 492 510 730 1683 654 505 499

Con un valor usual de resistencia de puesta a tierra 20Ω es difícil que se supere el NBI, se

necesitan corrientes de rayo superiores a 50kA tabla 15, aunque se observa que con un aumento de

10Ω de resistencia de puesta a tierra aumento considerablemente el nivel de las sobretensiones

figura 56.




- 89 -

Tabla 16 Valores de sobretensiones en las cadenas de aisladores fase A circuito para diferentes

valores de corriente de descarga. Resistencia de puesta a tierra (100Ω).

SOBRETENSIONES (kV)

No Torre I

Rayo(kA)

1

R=50

2

R=50

3

R=50

4

R=100

5

R=50

6

R=50

7

R=50

0 326 326 326 326 326 326 326

5 343 347 387 556 375 344 342

10 359 368 448 786 424 363 359

20 393 411 570 1246 521 399 391

30 426 453 692 1705 618 436 423

40 459 495 814 2165 716 472 455

50 492 537 935 2624 813 509 487

75 574 643 1240 3773 1057 600 568

100 658 748 1544 4922 1301 691 649

Con un valor usual de resistencia de puesta a tierra 100Ω es difícil que se supere el NBI, se

necesitan corrientes de rayo superiores a 20kA tabla 16, aunque se observa que con un aumento de

10Ω de resistencia de puesta a tierra aumento considerablemente el nivel de las sobretensiones

figura 57.




- 90 -


valores de corriente de descarga. Resistencia de puesta a tierra (200Ω).

SOBRETENSIONES (kV)

No Torre I

Rayo(kA)

1

R=50

2

R=50

3

R=50

4

R=200

5

R=50

6

R=50

7

R=50

0 326 326 326 326 326 326 326

5 345 355 413 667 398 352 345

10 364 384 499 1008 470 378 364

20 401 442 672 1689 614 430 401

30 438 506 845 2371 758 482 438

40 476 558 1019 3052 902 535 476

50 513 616 1192 3734 1046 587 513

75 607 761 1624 5435 1450 717 607

100 700 906 2057 7141 1765 847 700



Se observa que con una puesta a tierra deficiente como en el caso de 200Ω, rayos ligeramente

superiores a 10kA (ver tabla 17) producen el flameo inverso de los aisladores y como estos rayos son

de alta probabilidad de ocurrencia en estos caso en caso de no poder mejorar la resistividad del

terreno, es necesario instalar apartarrayos figura 58.


- 91 -

Tabla 18 Sobretensiones cadenas de aisladores torre 4 resistencia de puesta a tierra de 10 a 200 para varias corrientes de rayo.

SOBRETENSIONES (kV) TORRE 4

Torre 4 Rayo(kA) R=10 R=20 R=100 R=200

0 326 326 326 326

5 369 394 556 667

10 411 462 786 1008

20 496 598 1246 1689

30 580 733 1705 2371

40 665 869 2165 3052

50 750 1053 2624 3734

75 962 1344 3773 5435

100 1174 1683 4922 7141

Se obtiene la curva que relaciona resistencia de puesta a tierra de la torre donde impacta el rayo

con la magnitud de las sobretensiones generadas para diferentes corrientes de rayo figura 59.

Figura 59 Superficie que relaciona la tensión máxima en las cadenas de aisladores con

la corriente de descarga y la resistencia de puesta tierra de la torre donde impacta el rayo.


- 92 -

b) Caso 2 Impacto en la torre.

A continuación de procede a instalar apartarrayos en la torre donde impacta el rayo y que tiene alta

resistencia de puesta a tierra, el caso más crítico analizado anteriormente 200Ω tabla 19.

Apartarrayos fase A C1 y C2.

Tabla 19 Reducción de las sobretensiones con la instalación de apartarrayos.


(kV)

No Torre I

Rayo(kA)

1

R=23.16

2

R=80.87

3

R=56.37

4

R=77.34

5

R=50.79

6

R=40.36

7

R=19.22

0 326 326 326 326 326 326 326

5 338 348 383 520 368 340 336

10 349 371 439 713 409 353 346

20 372 415 552 1100 491 380 366

30 394 459 665 1486 574 407 386

40 417 503 778 1873 656 434 406

50 440 447 891 2259 739 460 426

75 496 658 1173 3226 945 528 476

100 553 769 1456 4192 1151 595 527


- 93 -

Figura 60 Circuito 1 sin apartarrayos.

Figura 61 Circuito 2 sin apartarrayos.

En la figura 60 y 61 se observa los circuitos 1 y 2 sin la instalación de apartarrayos en la cual se

observa el nivel de tensión que se obtiene de 0,25 MV.


- 94 -

INSTALACIÓN DE APARTARRAYOS TORRE 4 FASE A C1 rayo 20kA 8/20µs.

Figura 62 Circuito 1 con apartarrayos.

Figura 63 Circuito 2 con apartarrayos.

Con la instalación de apartarrayos en la torre 4 en ambos circuitos se reduce aproximadamente a la

mitad figura 62 y 63.


- 95 -

INSTALACIÓN DE 1 APARTARRAYOS CIRCUITO 1 FASE A VFA= 616kV.

Se reducen las sobretensiones en las otras fases de ambos circuitos con un solo apartarrayos.

Figura 64 Apartarrayos en la fase A de ambos circuitos.

Con la instalación de apartarrayos en una fase de ambos circuitos se reduce aproximadamente 100

kV las sobretensiones presentes en las otras fases de ambos circuitos figura 64.


- 96 -

7.7 UBICACIÓN DE APARTARRAYOS, EN REFERENCIA A SIMULACIÓN.

La ubicación del apartarrayos se puede analizar a través de la simulación, tomándose en cuenta que

la resistencia de puesta a tierra en relación a la distancia de la descarga atmosférica tendrá influencia

en la toma de decisión de la ubicación del apartarrayos, ya que como no se optimiza la sobretensión

con el método de mejora de resistividad del método aplicado, se debe de analizar con simulación

para llegar a la optimización de la atenuación de las sobretensiones generados por los flámeos

directos e inversos considerando el peor de los casos para la decisión final que se tome para ubicar el

apartarrayos de la parte de la red en estudio.

Como se observo en la aplicación del apartarrayos dentro de la simulación se coloco donde existe

mayor resistencia de puesta a tierra ya que es cuando se presenta el peor de los casos y la mayor

sobretensión por flameo inverso.

Por lo tanto se ubica el apartarrayos en la torre No. 4 del segmento de la línea en estudio como se

muestra en la figura 65.

CLARO DE

500 m

CLARO DE

537 m

CLARO DE

923 m

CLARO DE

832 m

CLARO DE

1.125 Km

CLARO DE

390 m

CLARO DE

208 mCLARO DE

500 m

RAYO

Figura 65 Resultado de la ubicación del apartarrayos de línea con la metodología aplicada.

7.8 SELECCIÓN DE APARTARRAYOS POR SUS PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS.

Para la selección del apartarrayos se analizan sus parámetros necesarios para coordinación de

aislamiento y se toma de referencia la norma IEC 60099-4 para que durante aplicación no presente

operación por fallas externas a las características señaladas, y opere únicamente cuando se exceda

la sobretensión por descarga atmosférica flameo inverso y por sobretensiones por maniobra

existentes dentro de la red.

El modelo escogido de los apartarrayos de óxido metálico es el varistor MOV type 92. La tensión

nominal seleccionada para los apartarrayos es 312 kV clase 3400 kV y la tensión residual es de

613.316 kV como se muestra en la tabla 20.

Tabla 20 Selección de apartarrayos [18].

1500 A 2500 A 5000 A 10000 A 20000 A

No definido Ur≤36 kV Ur≤132kV 3kV≤Ur≤360 kV 360kV≤Ur≤756kV


- 97 -

7.9 COMPARATIVA DE AHORRO MONETARIO APROXIMADO POR ÍNDICE DE SALIDAS DE LA

LINEA POR FLAMEO INVERSO.

La justificación de ahorro por instalación de apartarrayos de línea a partir de estudios realizados

desde las primeras aplicaciones de estos, nos indica que se han reducido salidas por año por abajo

del 50% , para realizar una demostración del ahorro tomaremos en cuenta un 45% neto en los costos

de salidas por año una vez aplicando los apartarrayos.

Así mismo se tomara en cuenta que las pérdidas de salidas por hora para la línea de Las Mesas-

Querétaro se calculan aproximadamente de $900,000.00 (novecientos mil pesos) por hora, tomando

en cuenta los costos de operación e interrupción de la energía ante una salida forzada.

La salidas de la línea se calcularon con la tasa de flámeos inversos que superan al NBI de la cadena

de aisladores por sobretensiones atmosféricas, solo se realizaron para intensidad de corriente de

rayos más frecuentes, y se muestran en el anexo 8.

Tabla 21 Ahorro monetario aproximado por salidas de la línea de transmisión con la instalación de apartarrrayos de línea.

Las Mesas-Querétaro 5kA 10kA 20kA

SALIDAS POR AÑO DE LÍNEA

(193km) 1.4292 1.045 0.4662

COSTO EN PERDIDAS POR

HORA (pesos x hora) 1,286,280.00 940,500.00 419,580.00

COSTO EN PÉRDIDAS POR

HORA CON INSTALACIÓN DE

APARTARRAYOS (pesos x hora)

707,454.00 517,275.00 230,769.00

TOTAL DE AHORRO (pesos x

hora) 578,826.00 423,225.00 188,811.00


- 98 -

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

La aplicación de una metodología para la selección de apartarrayos de línea se completo de

manera eficiente y asertiva en la línea estudiada, ya que se ubico de acuerdo al estudio de

resistividad y a través de software de simulación, esta aplicación de la metodología se estudio en las

peores condiciones del la línea, que es en donde no existe mejoras en la reducción de

sobretensiones con los puntos del método anteriores a la simulación, es por ello que a través del

análisis de transitorios y fallas generadas por las sobretensiones de descargas atmosféricas,

optimizando el uso de apartarrayos de línea con la propuesta del método se pueden tomar las

decisiones asertivas en la utilización ó no utilización y la ubicación precisa de los apartarrayos

fundamentado en un estudio técnico, lógico, y descriptivo.

Desde condiciones atmosféricas, factores meteorológicos hasta el estudio de sobretensiones y

transitorios en la línea de transmisión fueron analizados para la elaboración del método propuesto

todo esto con el fin de optimizar el funcionamiento y eficiencia de la colocación de apartarrayos , ya

que si se estudian líneas más a fondo se presentaran casos en los que no es necesario la instalación

de apartarrayos para limitar sobretensiones, es por ello que en el método se analiza también el

blindaje de la línea y la impedancia a tierra específica para cada torre para que con esto se tomen las

medidas necesarias para limitar sobretensiones en el sistema y con ello bajar las tasas de salidas por

año dentro del sistema.

El uso de simulación con el software grafico ATP Draw fue de gran importancia para los resultados

obtenidos ya que como se observa se analizan y verifican que las sobretensiones generadas por el

transitorio no sobrepase el NBI de la línea y con ello no se presente falla a tierra o viceversa, así

como poder analizar distintos niveles de descargas impactando al hilo guarda de la línea en estudio.

Por lo que también se puede recomendar que sea de gran importancia conocer la ubicación

geográfica de la línea de transmisión en estudio y los fenómenos meteorológicos a los que se

expondrá entrando en operación.

Es de gran utilidad implementar el método para no colocar apartarrayos únicamente donde se

presuma existen fallas importantes que generen salidas del sistema o de manera aleatoria, sin antes

considerar otros factores de falla, ahorrándose así importantes costos económicos y reduciendo los

índices de salidas de línea.

Se pretende que la presente tesis sirva de referencia para futuros trabajos en el tema así como un

útil material de consulta.

Se debe de comprender que el tramo de línea analizado fue la peor situación de incidencia de rayos

a tierra de la línea completa en estudio esto se observa ya que los claros de las torres son diferentes

y de mayor dimensión, no se analizo la línea completa por la extensión en el estudio del modelado de

la línea que esta conlleva, es por ello que como recomendación que para la aplicación del método se

debe analizar la línea completa para optimizar con precisión la ubicación de los aparatarrayos a lo

largo de la línea.


- 99 -

La propuesta metodológica será útil para proyectos de diseño de líneas de transmisión y de análisis

de salidas en las ya existentes, por ello es indispensable a futuro diseñar un software de la

metodología para síntesis de cálculos y reducción de tiempo en el análisis de limitación de

sobretensiones por descargas atmosféricas tomando en cuenta todos los datos de la línea, tanto

internos como externos.


- 100 -

GLOSARIO TÉCNICO.

Apartarrayos: Dispositivo destinado a absorber y limitar sobretensiones producidas por descargas

atmosféricas, maniobras u otra causa.

Apantallamiento: Blindaje que tiene una línea de transmisión cuando ocurre una descarga

atmosférica.

Alternative Transients Program / Electromagnetic Transients Program (ATP/EMTP): Software

de simulación de redes eléctricas, sistemas electrónicos o mecánicos, generalmente se utiliza para

representar estudios en redes, ver detalles de equipos y transitorios en el sistema.

Coordinación de aislamiento: Es la selección de la tensión de aguante del equipo e instalación en

relación con las sobretensiones que puedan presentarse en un punto del sistema. En otras palabras,

es la selección de la rigidez de aislamiento consistente con las sobretensiones esperadas para

obtener un riesgo de falla aceptable.

Comisión Federal de Electricidad (CFE): Es la empresa la cual genera, transmite, distribuye y

comercializa energía eléctrica en toda la republica mexicana.

Configuración del aislamiento: La configuración geométrica total del aislamiento, incluyendo todos

los elementos (aislantes y conductores) que influyen en su comportamiento dieléctrico (de fase a

tierra, fase a fase y longitudinal).

Flameo: Descarga disruptiva en el aislamiento.

Flameo Inverso: Descarga disruptiva del aislamiento originado por reflexiones de ondas.

Gap: Distancia de separación en aire o gas.

Hidrófobo: Es aquello que tiene horror al agua.

IEC (International Electrotechnical Commission): Es una organización de normalización en los

campos eléctrico, electrónico y tecnologías relacionadas. Las normas se desarrollan conjuntamente

con la ISO (normas ISO/IEC).

Ionización del suelo: Proceso químico mediante el cual se pueden iones, estos son átomos o

moléculas cargados eléctricamente debido al exceso o falta de electrones respecto a un átomo o

molécula neutro.

Impedancia: Oposición al flujo de la corriente en circuitos de corriente alterna.

Líder: Es un canal súper caliente por el cual viajan electrones de la nube a la tierra.


- 101 -

Líder ascendente: Es originado desde la tierra a la nube.

Líder descendente: Conforme el líder se acerca de la nube a tierra se empieza a formar.

Maniobra: Apertura o cierre de un interruptor de potencia.

MO: Apartarrayos de óxidos metálicos.

Nivel básico de aislamiento: Es la tensión de aguante estadística por impulso normalizado, ya sea

de maniobra (NBIM) o de rayo (NBIL).

Nivel básico de aislamiento al impulso por maniobra (BSL-NBAM): La rigidez eléctrica del

aislamiento expresado en términos del valor de cresta de un impulso por maniobra estándar.

Nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (BIL-NBAI): La rigidez eléctrica del aislamiento

expresado en términos del valor de cresta de un impulso de rayo estándar bajo condiciones

atmosféricas estándar.

Nivel isoceráunico: Es el número que representa el registro anual de días con tormentas de un

lugar, constituye un dato estadístico básico para el diseño de líneas eléctricas y subestaciones

eléctricas.

Red iterativa de elementos π: Línea de transmisión en la que se consideran hecha con varios

elementos, entre las cuales podeos mencionar capacitores, resistencias e inductores.

Resistencia: Dificultad u oposición que presenta un cuerpo al paso de una corriente eléctrica.

Resistencia de cimiento: Estructura empotrada en el suelo que sirve de base a un soporte y

destinada a fijarla al terreno.

Sistema efectivamente aterrizado: Un sistema en el cual los neutros se conectan directamente a

tierra por medio de una conexión en la cual no se ha insertado intencionalmente una impedancia.

Sistema Eléctrico de Potencia (SEP): Es el conjunto de centrales generadoras, de líneas de

transmisión interconectadas entre sí y de sistemas de distribución esenciales para el consumo de

energía eléctrica.

SiC: Apartarrayos de Carburo de Silicio

Sobretensión: Tensión anormal cuyo valor pico es superior al valor pico de operación normal de un

equipo.

Sobretensión para un sistema o equipo: Es cualquier valor de tensión cresta que excede la que

existe a través de las terminales del aislamiento, cuando todas las terminales de fase del equipo a la

cual pertenece dicho aislamiento.


- 102 -

Tasa de cebados: Número de descargas que impactan sobre un conductor de fase.

Tensión de aguante: Es la tensión permanente, temporal, de frente lento, rápido o muy rápido, con

una probabilidad de referencia de ser soportada por el aislamiento.

Tensión de aguante convencional: La tensión que un aislamiento es capaz de soportar sin falla o

descarga disruptiva bajo condiciones específicas de prueba.

Tensión de flameo: Es el valor pico o eficaz de tensión que en todas ellas debe ocasionar flameo.

Tensión de flameo al 50% o tensión crítica de flameo (impulso de rayo y maniobra).

Tensión máxima de diseño del equipo (Vd): Es el valor eficaz de tensión entre fases más alto

para el cual está diseñado el equipo con respecto a su asilamiento y a otras características asociadas

con esta tensión, en las normas relativas al equipo.

Tensión máxima de un sistema trifásico (Vm): Es el valor eficaz de la tensión de operación entre

fases más alto, el cual ocurre bajo condiciones normales de operación, a cualquier tiempo y en

cualquier punto del sistema.

Tensión nominal de un sistema trifásico (Vn): Es el valor eficaz de la tensión entre fases con que

se designa el sistema y al que están referidas ciertas características de operación del mismo.

Terminal aislada: Es cualquiera de los electrodos (conductor de fase, núcleo magnético, tanque

metálico o estructura, etc) entre los cuales se aplica la tensión que esfuerza el aislamiento. En la

práctica se divide en terminales de fase y de tierra. Todos los electrodos que se encuentran al mismo

potencial se consideran como una terminal.

TLA: Transmisión Line Arrester

Transitorio: Respuesta de un circuito eléctrico que se extingue en el tiempo.

Uc: Tensión de operación permanente de un descargador (tensión de operación permanente es el

valor eficaz de tensión alterna (con frecuencia industrial) admisible.

Um: Valor eficaz de la máxima tensión entre fases para la cual se diseñó el equipamiento con

referencia a su aislamiento.

Ur: Tensión nominal del apartarrayos; valor eficaz máximo admisible de tensión de frecuencia

industrial entre terminales (del descargador) para el cual el descargador está diseñado para operar

correctamente en las condiciones de sobretensión temporaria establecidas en los ensayos de

funcionamiento.

Uref: Tensión de referencia, valor de cresta de la tensión de frecuencia industrial dividido por 2

entre las terminales del descargador mientras circula la corriente de referencia. La tensión de


- 103 -

referencia se usa cuando se selecciona una muestra para ensayo y se determinan los parámetros de

ensayo para el ensayo de funcionamiento.

Ures (tensión de descarga): Es la caída de tensión entre las terminales del apartarrayos cuando

se inyecta un impulso de corriente.

Us: Tensión máxima de un sistema, el máximo valor de la tensión de operación que se tiene bajo

condiciones normales de operación.

Uw: Un término de la coordinación de la aislamiento de valor normalizado de la tensión aplicada en

un ensayo de tensión resistida.

Valor de cresta (valor pico): El valor absoluto máximo de una función cuando ese máximo exista.

Vano: Cualquier apertura en un elemento arquitectónico y por extensión, se utiliza también para

referirse a la distancia entre apoyos en una estructura.

Varistor: Componente electrónico cuya resistencia óhmica disminuye cuando la tensión eléctrica

que se le aplica aumenta.

ZNO: Apartarrayos de Oxido de Zinc.


- 104 -

NOMENCLATURA.

a, Distancia horizontal entre el cable de guarda y el conductor de fase (m).

a , Ángulo de apantallamiento (º).

b, Presión barométrica (mm Hg).

c , Propagación de la velocidad de la luz (km/s).

C, Capacitancia de la línea a la tierra (F/m).

d , densidad relativa del aire.

dx, Longitud de la línea (m).

εR , Constante dieléctrica del asilamiento.

G, Conductividad (simens/m).

g , Constante de propagación.

h, Alturas (cable de guarda, conductores, torre) (m).

I, Corriente de la descarga atmosférica (kA).

Ig, Corriente limitante para inicializar una ionización suficiente del suelo (A).

L, Inductancia de la línea (H/m).

r, Distancia de arqueo (m).

R, Resistencia de la línea (Ω/m).

r , Resistividad del suelo (W/m).

s , Desviación estándar de una distribución normal.

T, Periodo que tarda en cruzar una onda viajera.

t, Temperatura (°C).

V, Tensión de operación (kV).

V0, Tensión Critica de Flameo a temperatura y presión estándar.

x, Distancia a lo largo de la línea (m).

y, Conductor de fase (m).

Z0, Impedancia de la línea (Ω).


- 105 -

ZC, Impedancia característica (Ω).

ZT, Impedancia de impulso (Ω).


- 106 -

ÍNDICE DE FIGURAS.


Figura 1. Representación gráfica de las sobretensiones de un sistema de alta tensión [2] .................. 13

Figura 2. Postulación de la separación de cargas dentro de las nubes [5] .......................................... 15

Figura 3. Frecuencia de ocurrencia de corrientes de descargas atmosféricas que exceden

un valor máximo determinado [5] ......................................................................................................... 16

Figura 4. Isodensidad de rayos a tierra de la Republica Mexicana [19]............................................. .. 17

Figura 5. Impacto en el hilo de guarda ................................................................................................. 19

Figura 6. Impacto de una descarga atmosférica en una torre .......................................................... .. 20

Figura 7 Impacto de un rayo en una torre ........................................................................................ .. 20

Figura 8 Impacto de un rayo en un conductor de fase ......................................................................... 22

CAPITULO 3 MÉTODOS PARA LIMITAR SOBRETENSIONES ATMOSFÉRICAS.

Figura 9 Ilustración de la implementación de las torres por su función [19] ....................................... 25

Figura 10 Dimensiones de torre de transmisión de retenida en 400Kv [19] ......................................... 26

Figura 11 Ejemplo de torre de transmisión por su función torre de emergencia (ERS) [19] ................. 26

Figura 12 Geometría de la línea de transmisión [19] ......................................................................... .. 27

Figura 13 Altura de la torre contra ángulo de blindaje [2] .................................................................. .. 29

Figura 14 Ángulo de blindaje [2] ....................................................................................................... .. 30

Figura 15 Modelo geométrico para un solo hilo guarda [19] .............................................................. .. 31

Figura 16 Arreglo de conexión a tierra con contrantenas ................................................................. .. 32

Figura 17 Mejoramiento de la resistividad del terreno [19] ................................................................ .. 35

Figura 18 Resistividad en Ω-m de diferentes rocas, minerales y químicos [19] ................................. .. 36


Figura 19 Transformador protegido mediante apartarrayos ................................................................ 38

Figura 20 Esquema de pararrayos con explosor y varistor .................................................................. 38

Figura 21 Corte de un pararrayos de óxido de zinc con envolvente de porcelana [5] ........................... 40

Figura 22 Características tensión-intensidad de los apartarrayos de ZnO y SiC [2] ............................. 42

CAPITULO 5 PROCEDIMIENTO PARA LA SELECCION DE APARTARRAYOS.

Figura 23 Contraste de los parámetros del sistema y el apartarrayos [18] ........................................... 46

Figura 24 Energia transformada dentre del apartarrayos referido a su tension nominal [8] .................. 48

Figura 25 Traducción selección de descargador [11] .......................................................................... 52


- 107 -

CAPITULO 6 METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE APARTARRAYOS EN LÍNEAS DE

TRANSMISIÓN.

Figura 26 Diferentes impactos de rayo en las líneas de transmisión ................................................... 53

Figura 27 Flameo inverso de la línea de transmisión .......................................................................... 53

Figura 28 Flameo directo de la línea de transmisión ........................................................................... 54

Figura 29 Métodos para fallas por cebado de aisladores en la línea de transmisión

debido a descargas atmosféricas. .................................................................................................... .. 54

Figura 30 Propuesta metodológica para la ubicación de apartarrayos de línea de un

nivel de 400kV……………………………………………………………………………………… ................. 58

Figura 31 Primera sección del método................................................................................................. 59

Figura 32 Segunda sección del método ............................................................................................... 60

Figura 33 Tercera sección del método ................................................................................................. 62

Figura 34 Cuarta y última sección del método ..................................................................................... 64

CAPITULO 7 APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA.

Figura 35 Parte de la línea de transmisión representada Las Mesas Querétaro 400KV ..................... 69

Figura 36 Diagrama esquemático de una línea larga .......................................................................... 69

Figura 37 Configuración geométrica de la línea de transmisión de doble circuito de 400 kV. ............ ..71

Figura 38 Torre tipo 4EA2 400kV TRIBASA .................................................................................... .. 72

Figura 39 Impedancia característica de una torre con silueta cónica [1] .............................................. 73

Figura 40 Impedancia característica de una torre con silueta cilíndrica [1] ........................................ ..73

Figura 41a Línea vertical multiconductor [19]....................................................................................... 74

Figura 41b Línea vertical multiconductor [19]....................................................................................... 74

Figura 42 Modelo vertical multiconductor de la torre autosoportada 4EA2 400KV TRIBASA ............... 78

Figura 43 Onda de corriente doble exponencial 8/20µs utilizada en la simulación. ............................ ..79

Figura 44 Representación de los elementos de la línea para la simulación en ATP Draw. ................ ..82

Figura 45 Modelo implementado en ATP Draw .................................................................................... 82

Figura 46 Tensión presente en una cadena de aisladores en estado estable ..................................... 83

Figura 47 Secuencia de fases de la línea Fase A rojo, Fase B verde, Fase C azul........................... .. 84

Figura 48 Rayo aplicado, amplitud de 10 kA, forma de onda 8/20µs. ............................................... .. 84

Figura 49 Sobretensión generada en el hilo de guarda sin considerar la tensión de la línea ............... 85

Figura 50 Sobretensiones generadas en las cadenas de aisladores de las tres fases del circuito ..... ..86

Figura 51 Sobretensiones generadas en las cadenas de aisladores de las tres fases del circuito 2 .... 86

Figura 52 Forma de onda en las cadenas de aisladores cuando no se supera el NBI ......................... 87

Figura 53 Forma de onda en las cadenas de aisladores cuando se supera el NBI. ........................... ..87

Figura 54 Superficie que relaciona la tensión máxima en las cadenas de aisladores de las 7

torres en función de la corriente de descarga. ................................................................................... ..88


torres con resistencia de puesta a tierra (10Ω) .................................................................................... 90


torres con resistencia de puesta a tierra (20Ω) .................................................................................... 91



- 108 -

torres con resistencia de puesta a tierra (100Ω). .............................................................................. .. 92


torres con resistencia de puesta a tierra (200Ω). .............................................................................. .. 93

Figura 59 Superficie que relaciona la tensión máxima en las cadenas de aisladores con la

corriente de descarga y la resistencia de puesta tierra de la torre donde impacta el rayo .................... 94

Figura 60 Circuito 1 sin apartarrayos ................................................................................................. ..96

Figura 61 Circuito 2 sin apartarrayos ................................................................................................... 96

Figura 62 Circuito 1 con apartarrayos .................................................................................................. 97

Figura 63 Circuito 2 con apartarrayos. ............................................................................................... ..97

Figura 64 Apartarrayos en la fase A de ambos circuitos. ................................................................... ..98

Figura 65 Resultado de la ubicación del apartarrayos de línea con la metodología aplicada. .............. 99


- 109 -

ÍNDICE DE TABLAS.


Tabla 1. Clasificación de las sobretensiones según IEC 70-1[6] ......................................................... 14

CAPITULO 3 METODOS PARA LIMITAR SOBRETENSIONES ATMOSFERICAS.

Tabla 2 Distancias de incidencia con referencia a la figura 15 ............................................................ 31

Tabla 3 Resistividad de diferentes terrenos ........................................................................................ 35

CAPITULO 5 PROCEDIMIENTO PARA LA SELECCION DE APARTARRAYOS.

Tabla 4 Parámetros considerados para seleccionar el apartarrayos [18] ............................................. 47

Tabla 5 Corriente nominal de descarga según el voltaje nominal [8] ................................................... 47

Tabla 6 Clases de descargas de líneas [8] ....................................................................................... .. 48

Tabla 7 Clases de descargas de líneas [8] ....................................................................................... .. 49

Tabla 8 Clases del descargador para impulso de maniobra [8] ............................................................ 50

Tabla 9 Resistencia de cantiliver de apartarrayos de ABB [11]…………………………………… ......... .51

CAPITULO 7 APLICACIÓN DE LA METODOLOGIA.

Tabla 10 Clasificación de la gama de frecuencias ............................................................................... 67

Tabla 11 Características de conductores de fase e hilos de guarda [2] .............................................. 71

Tabla 12 Sobretensiones en las cadenas de aisladores fase A circuito para diferentes

valores de corriente de descarga considerando que los aisladores no se flamean. .......................... .. 88


valores de corriente de descarga considerando que los aisladores se flamean. ............................... .. 89

Tabla 14 Valores de sobretensiones en las cadenas de aisladores fase A circuito para un valor

óptimo de resistencia de puesta a tierra (10Ω) .................................................................................... 90


valores de corriente de descarga. Resistencia de puesta a tierra valor usual (20Ω) .......................... ..91


valores de corriente de descarga. Resistencia de puesta a tierra (100Ω) ............................................ 92


valores de corriente de descarga. Resistencia de puesta a tierra (200Ω) ........................................... 93

Tabla 18 Sobretensiones cadenas de aisladores torre 4 resistencia de puesta a tierra

de 10 a 200 para varias corrientes de rayo. ....................................................................................... ..94

Tabla 19 Reducción de las sobretensiones con la instalación de apartarrayos. ................................. ..95

Tabla 20 Selección de apartarrayos [18]. ........................................................................................... ..96

Tabla 21 Ahorro monetario aproximado por salidas de la línea de transmisión con la instalación

de apartarrayos de línea. ................................................................................................................... ..97


- 110 -

ANEXOS


- 111 -

1.CUADRO ESQUEMATICO DE ASPECTOS IMPORTANTES PARA LA ELABORACION DEL

METODO.


- 112 -

2. ASPECTOS CONSIDERABLES PARA ELABORACIÓN DEL MÉTODO CON NOTAS DE

CÁLCULOS PARA CADA ASPECTO.


- 113 -

3 .DATOS DE OPERACIÓN GARANTIZADOS PARA APARTARRAYOS DE LÍNEA PEXLIM Q

ABB.


- 114 -

4. GUÍA PARA SELECCIÓN DE CLASE DE DESCARGA DE APARTARRAYOS DE LA

NORMA IEC 60099-4.


- 115 -

5. SELECCIÓN DE APARTARRAYOS RESPECTO A PARÁMETROS DE OPERACIÓN ABB.


- 116 -

6. DIAGRAMA DE FLUJO PARA SELECCIÓN DE APARTARRAYOS DE LÍNEA CONFORME

A SELECCIÓN DE LA NORMA IEC 60099-4.


- 117 -

7. CATALOGO DE PRODUCTOS DE ABB EN LA RAMA DE APARTARRAYOS DE LÍNEA.


- 118 -

8. CÁLCULOS DE SALIDAS EXPRESADAS EN km/Año DE LA LÍNEA COMPLETA.

Rayo de 5kA

Ic=5kA

Para Im

Para Q(Ic)

Para Q(Im)


- 119 -

Rayo de 10kA

Ic=10kA

Para Im

Para Q(Ic)

Para Q(Im)


- 120 -

Rayo de 20kA

Ic=20kA

Para Im

Para Q(Ic)

Para Q(Im)


- 121 -

REFERENCIAS.

[1] A.R. Hileman, Insulation Coordination for Power Systems, Marcel Dekker, 1999.

[2] J.A. Martínez Velasco, Coordinación De Aislamiento En Redes Eléctricas De Alta Tensión, Mc-

Graw Hill.

[3] Boletin iie Descargas atmosféricas y sistema de conexión a tierra CFE marzo abril 1999

[4] Greenwood Electrical Transients in Power Systems.

[5] Sarma and Glover, Análisis De Sistemas De Potencia, Thompson.

[6] Norma IEC 60071-1 Insulation Coordination Part 1.

[7] Norma IEC 60071-2 Insulation Coordination Part2.

[8] Norma IEC 60099-4 Metal Oxide Surge Arrester without Gaps for Ac Systems.

[9] Norma CFE NRF-003 Apartarrayos De Oxido Metálicos Para Subestaciones.

[10] ABB HV Switchgear Surge Arrester Buyers Guide Edition 6.

[11] ABB HV Zinc Oxide Surge Arrester Selection Guide.

[12] I. Zamora Belver, Simulación De Sistemas Eléctricos, Pearson Prentice Hall.

[13] J.A. Martinez Velasco, Modeling of Overhead Transmission Lines for Lightning Studies.

[14] k. S. Vázquez Cálculo de sobre voltajes originadas por descargas atmosféricas en líneas

aéreas de transmisión utilizando ATP. IEEE Latin America Transactions, Vol. 19, 2005.

[15] J. A. Martinez. Velasco, F. C. Aranda, Transmission Line Protected By Surge Arresters IEEE

Latin America Transactions, Vol. 7, No. 1, March 2009.

[16] SIEMENS Volker Hinrichsen Metal-Oxide Surge Arrester Fundamentals 1st Edition.

[17] Norma NMX-J321-ANCE-2005 Apartarrayos de Óxidos Metálicos Sin Explosores Para Sistemas

DE C.A. Especificaciones Y Métodos De Prueba.

[18] ABB Descargadores De Sobretensiones De Alto Voltaje Guía Del Comprador.

[19] Dr. Carlos Ramírez Pacheco, Apuntes de las Altas Tensiones 1.

[20]T.Yamada, A.Mochizuki, E. Sawada, E. Zaima. Experimental Evaluation of a UHV Tower Model

for Lightning Surge Analisis. IEEE Latin American Transaction, Vol. 10,1995

escuela superior de ingenieria mecanica y...

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